JP3940743B2 - Semiconductor integrated circuit device and level conversion circuit - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路装置およびレベル変換回路に関するものであり、特に、ひとつの半導体基板上に複数種類の電源によって駆動される複数の回路部を有する場合に適用して好適な半導体装置およびその半導体装置に用いられるレベル変換回路に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device and a level conversion circuit, and particularly to a semiconductor device suitable for application to a case where a plurality of circuit units driven by a plurality of types of power supplies are provided on one semiconductor substrate. The present invention relates to a level conversion circuit used in a semiconductor device.
大規模LSI等の半導体集積回路装置では、特にCMOSによる集積回路を中心に、低消費電力化のための電源電圧の低電圧化が進んでいる。かかる半導体集積回路装置は、例えば1.2ボルトのような低い電圧の電源で駆動されるが、外部の3.3ボルト電源で駆動される回路とのインターフェース部となるI/O部は3.3ボルト電源で駆動される回路を有することになる。 In a semiconductor integrated circuit device such as a large-scale LSI, the power supply voltage for lowering power consumption is being lowered particularly in an integrated circuit using CMOS. Such a semiconductor integrated circuit device is driven by a power supply having a low voltage such as 1.2 volts, for example, but the I / O part that is an interface part with a circuit driven by an external 3.3 volt power supply is driven by a 3.3 volt power supply. Circuit.
また、I/O部に限らず、一つの半導体チップ内で異なる電圧の電源で駆動される複数の回路部を有する場合もある。 In addition to the I / O unit, there may be a plurality of circuit units driven by power supplies having different voltages in one semiconductor chip.
この様な半導体集積回路装置においては、レベルダウンやレベルアップのレベル変換回路が必要になるが、ここで、図2(a)に、従来使用されているレベルダウン回路(大振幅信号を小振幅信号に変換する回路)の回路図およびその動作波形図を示す。以下、VDDQは3.3V、VDDは1.2V、VSSは接地電位、大きな振幅の信号をVDDQ電位の振幅、小さな振幅の信号をVDD電位の振幅とする。 In such a semiconductor integrated circuit device, a level conversion circuit for level down or level up is required. Here, FIG. 2 (a) shows a conventional level down circuit (a large amplitude signal is converted into a small amplitude signal). FIG. 2 shows a circuit diagram of a circuit for converting into a signal) and an operation waveform diagram thereof. Hereinafter, VDDQ is 3.3V, VDD is 1.2V, VSS is ground potential, a signal with a large amplitude is an amplitude of VDDQ potential, and a signal with a small amplitude is an amplitude of VDD potential.
200はP型MOSトランジスタ(以下、PMOSと記す)、201はN型MOSトランジスタ(以下、NMOSと記す)である。IN0は波形図に示すように3.3V振幅の入力信号で、1.2V振幅のout0を出力として得ている。
200および、201はゲート・ソース間に最大3.3Vの電位が印加させる可能性があるため、酸化膜厚の厚いMOSトランジスタで構成する。
Since there is a possibility that a potential of 3.3 V at the maximum is applied between the gate and the source, the
図2(b)に従来使用されているレベルアップ回路(小振幅信号を大振幅信号に変換する回路)の回路図およびその動作波形図を示す。202,203はPMOS、204、205はNMOSである。 FIG. 2B shows a circuit diagram and an operation waveform diagram of a level-up circuit (a circuit for converting a small amplitude signal into a large amplitude signal) conventionally used. 202 and 203 are PMOS, and 204 and 205 are NMOS.
in0およびin0bが1.2Vの小振幅入力信号で、in0とin0bとは相補な関係にあるデュアルレール信号である。OUT0は3.3Vの大振幅出力信号である。202から205までのMOSトランジスタは図2(a)の200や201と同様の厚酸化膜で構成されたMOSトランジスタである。
in0 and in0b are 1.2V small amplitude input signals, and in0 and in0b are dual rail signals in a complementary relationship. OUT0 is a 3.3V large amplitude output signal. The
図2(a)のような従来構成のレベルダウン回路では、論理しきい値は約VDD/2、すなわち、0.6V付近となる。一般に大振幅信号はその振幅が大きいことからグランドレベルが揺らぐタイプのノイズが発生しやすい。大振幅信号のグランドレベルが0.6V以上揺らぐと図2の回路では'H'レベルと判断されてしまい、out0には'L'レベルが出力されてしまう。 In the conventional level-down circuit as shown in FIG. 2 (a), the logic threshold is about VDD / 2, that is, around 0.6V. In general, a large amplitude signal has a large amplitude, so that the type of noise in which the ground level fluctuates easily occurs. If the ground level of the large amplitude signal fluctuates by 0.6 V or more, the circuit of FIG. 2 is judged to be “H” level, and “L” level is output to out0.
従って、従来のレベルダウン回路では、VDDが低電圧化されるに従い、上記論理しきい値は低くなり、少しのノイズによって誤った論理値がout0に出力されるという欠点があった。 Therefore, the conventional level-down circuit has a drawback that the logical threshold value is lowered as VDD is lowered, and an erroneous logical value is output to out0 due to a little noise.
また,図2(b)のような構成のレベルアップ回路では、VDDQ電源が投入されてVDD電源が投入されない電源投入時にin0およびin0bが不定値となり、VDDQとVSS間に貫通電流が流れるという問題がある。これにより、VDD電源をVDDQ電源からDC-DCコンバータで作っているシステムの場合、VDDQ電源に大きな負荷が加わってVDD電源が投入できないという現象が発生する。VDD電源が投入されないと先のin0およびin0bは不定値のままで、永遠にこのシステムは正常起動されないことになる。 In addition, in the level-up circuit having the configuration as shown in FIG. 2B, in0 and in0b become undefined values when VDDQ power is turned on and VDD power is not turned on, and a through current flows between VDDQ and VSS. There is. As a result, in a system in which the VDD power supply is made from the VDDQ power supply by a DC-DC converter, a phenomenon occurs in which a large load is applied to the VDDQ power supply and the VDD power supply cannot be turned on. If VDD power is not turned on, the previous in0 and in0b remain indefinite, and this system will not start normally forever.
また、電源投入時のみならず、VDDQ電源を投入したままでVDD電源を遮断することもできない。なぜなら、VDD電源の遮断によりin0およびin0bの値が不定値となるからである。これによりVDDQに貫通電流が流れシステムの消費電力が著しく増加してしまう。 Further, not only when the power is turned on, but also when the VDDQ power is turned on, the VDD power cannot be shut off. This is because the values of in0 and in0b become indefinite values by shutting off the VDD power supply. This causes a through current to flow through VDDQ, which significantly increases the power consumption of the system.
また、レベル変換回路部だけでなく、出力バッファ回路部を含む入出力回路部においても、従来の入出力回路においては、VDDQ電源が投入されてVDD電源が投入されない電源投入時に、出力バッファの入力信号値が不定値となり、出力バッファ回路のVDDQとVSS間に貫通電流が流れるという問題があった。 Also, in the input / output circuit section including the output buffer circuit section as well as the level conversion circuit section, in the conventional input / output circuit, when the VDDQ power supply is turned on and the VDD power supply is not turned on, the input of the output buffer There was a problem that the signal value became indefinite and a through current flowed between VDDQ and VSS of the output buffer circuit.
本発明の目的は、大振幅信号のグランドレベルが揺らいでもノイズが発生しにくいレベルダウン回路およびこのレベルダウン回路を用いた半導体集積回路装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a level-down circuit that hardly generates noise even when the ground level of a large amplitude signal fluctuates, and a semiconductor integrated circuit device using the level-down circuit.
また、本発明の他の目的は、高電圧と低電圧の複数の電源を用いた集積回路装置において、高電圧電源が投入されて低電圧電源が投入されていない間においても、高電圧電源と接地電源間に貫通電流が流れることのないレベル変換回路および半導体集積回路装置を提供することである。 Another object of the present invention is to provide an integrated circuit device using a plurality of high voltage and low voltage power supplies even when the high voltage power supply is turned on and the low voltage power supply is not turned on. It is an object to provide a level conversion circuit and a semiconductor integrated circuit device in which no through current flows between ground power supplies.
上記の目的を達成するために、本発明においては、以下の手段を採用した。
(1)レベルダウン回路の入力を差動入力にした。
(2)レベルダウン回路中でゲート・ドレイン間およびゲート・ソース間に3.3V電位が加わらないMOSトランジスタについては、薄酸化膜MOSトランジスタを用いた。
(3)レベルアップ回路に論理演算機能を設けた。
(4)出力バッファのどちらか一方のMOSのみをONすることで出力バッファに貫通電流が流れるのを防止するための素子を出力バッファ回路の入力側に設けた。
In order to achieve the above object, the following means are adopted in the present invention.
(1) The input of the level down circuit is a differential input.
(2) A thin oxide film MOS transistor was used for a MOS transistor in which a 3.3 V potential was not applied between the gate and drain and between the gate and source in the level down circuit.
(3) A logic operation function is provided in the level-up circuit.
(4) An element for preventing a through current from flowing through the output buffer by turning on only one of the MOSs of the output buffer is provided on the input side of the output buffer circuit.
本発明によれば、大振幅信号のグランドレベルが揺らいでもノイズが発生しにくいレベルダウン回路を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a level down circuit that hardly generates noise even when the ground level of a large amplitude signal fluctuates.
また、本発明によれば、高電圧と低電圧の複数の電源を用いた集積回路装置において、高電圧電源が投入されて低電圧電源が投入されていない間においても、高電圧電源と接地電源間に貫通電流が流れにくい。 Further, according to the present invention, in an integrated circuit device using a plurality of high voltage and low voltage power supplies, the high voltage power supply and the ground power supply can be used even when the high voltage power supply is turned on and the low voltage power supply is not turned on. It is difficult for through current to flow between them.
本発明、本発明の更に他の目的及び特徴は図面を参照した以下の説明から明らかとなるであろう。 The present invention and other objects and features of the present invention will become apparent from the following description with reference to the drawings.
以下説明する実施例で、論理“1”は論理信号の2値のうちの「正」側を指し、論理“0”は「負」側を指すものとする(いわゆる正論理体系で説明する)。 In the embodiment described below, the logic “1” indicates the “positive” side of the two values of the logic signal, and the logic “0” indicates the “negative” side (described in a so-called positive logic system). .
MOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect−Transistor)で代表される絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(Insulated−Gate FET又はMetal−Insulator−Semiconductor FET)は以下の説明ではMOSと称す。また、多数キャリアが電子であるNチャンネルMOSはNMOSと、多数キャリアが正孔であるPチャンネルMOSはPMOSと称す。 An insulated gate field effect transistor (Insulated-Gate FET or Metal-Insulator-Semiconductor FET) typified by a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) is referred to as a MOS in the following description. An N channel MOS in which majority carriers are electrons is referred to as NMOS, and a P channel MOS in which majority carriers are holes is referred to as PMOS.
しきい値電圧(Vth)は、定性的にはドレイン電流が流れはじめるときのゲートとソース間の電位差を指すが、定量的にはドレイン電流がゲート・ソース間電圧としきい値電圧の差の二乗曲線であらわされる、いわゆるMOSの飽和領域を何点かプロットすれば、実測値が導かれる。しきい値は反転チャンネルが誘起される半導体基板表面の濃度やゲート絶縁膜の厚さなどいくつかのパラメータに依存する。以下の実施例ではしきい値の大小の比較がなされるが、PMOS及びNMOSともエンハンスメント・モードで動作し絶対値で比較していると理解されたい。また、チャンネルコンダクタンスβを決めるプロセスパラメータが同じ場合は、チャンネル幅Wとチャンネル長Lのデバイス設計パラメータを同じと仮定した場合に同じゲート・ソース間電圧でドレイン電流が多く流れるほうがしきい値Vthが低いと考えてもよい。 The threshold voltage (Vth) qualitatively indicates the potential difference between the gate and the source when the drain current begins to flow, but quantitatively the drain current is the square of the difference between the gate-source voltage and the threshold voltage. Plotting some so-called MOS saturation regions represented by curves yields measured values. The threshold depends on several parameters such as the concentration of the surface of the semiconductor substrate where the inversion channel is induced and the thickness of the gate insulating film. In the following embodiments, the threshold values are compared, but it should be understood that both PMOS and NMOS operate in the enhancement mode and are compared in absolute value. When the process parameters for determining the channel conductance β are the same, the threshold Vth is higher when the drain current flows more at the same gate-source voltage, assuming that the device design parameters of the channel width W and the channel length L are the same. You may think that it is low.
MOSのソース、ドレインは本来回路のバイアスによって決まるものであるが、本出願の図面ではソースとなるほうに矢印を付し、PMOSは内向きに、NMOSは外向きに表示する。また、トランスミッションゲートのように動作中にバイアス方向が変わるものは双方に矢印を付してある。また、ソースとドレインを区別せずに総称するときはソース・ドレインと表現する。 Although the source and drain of the MOS are originally determined by the bias of the circuit, an arrow is attached to the source in the drawing of this application, and the PMOS is indicated inward and the NMOS is indicated outward. In addition, arrows that change the bias direction during operation, such as transmission gates, are marked with arrows. Further, when the source and drain are collectively referred to without being distinguished, they are expressed as source / drain.
大きなコンダクタンスが必要とされるMOSは、実際の集積回路では複数のMOSのゲート、ソース・ドレインを共通に接続したり(ソース・ドレイン間の電流通路が並列に接続される)、或いは等価的にそのように分布しているケースが多いが、断りの無い限り本出願では1個のMOSとして説明する。また、同様に複数のMOSのソース・ドレイン間の電流通路が直列に接続され、ゲートに事実上同じ信号が印加される場合も断りの無い限り本出願では1個のMOSとして説明する。 In an actual integrated circuit, a MOS that requires a large conductance is connected to a plurality of MOS gates, sources and drains in common (current paths between the sources and drains are connected in parallel) or equivalently. There are many cases in which such distribution is made, but unless otherwise noted, the present application will be described as one MOS. Similarly, even when the current paths between the source and drain of a plurality of MOSs are connected in series and substantially the same signal is applied to the gates, the present application will be described as one MOS unless otherwise noted.
図1に本発明のレベルダウン回路の回路図およびその動作波形図を示す。IN0およびIN0Bが3.3Vの大振幅入力信号で,IN0とIN0Bとは相補な関係にあるデュアルレール信号である。out0は1.2Vの小振幅出力信号である。 FIG. 1 shows a circuit diagram of the level down circuit of the present invention and an operation waveform diagram thereof. IN0 and IN0B are 3.3V large-amplitude input signals, and IN0 and IN0B are dual rail signals in a complementary relationship. out0 is a small amplitude output signal of 1.2V.
以下,図1から図13までの説明中では、大文字の信号名(IN,OUT)で示した信号は3.3V振幅の信号を、小文字の信号名(in,out)で示した信号は1.2V振幅の信号を示すこととする。 Hereinafter, in the description from FIG. 1 to FIG. 13, the signal indicated by the capital letter signal name (IN, OUT) is a signal of 3.3 V amplitude, and the signal indicated by the lower case signal name (in, out) is 1.2 V. An amplitude signal is indicated.
102,103は図2の201と同様の厚酸化膜NMOSである。100,101はPMOSである。100および101のゲート・ドレイン間およびゲート・ソース間に加わる電位差は高々VDD(1.2V)であるため、102や103ほど酸化膜厚耐圧が必要しない。このため、100,101は102および103と比較して酸化膜厚が薄い薄酸化膜PMOSで、特に限定しないが102および103よりも低しきい値なMOSトランジスタで構成する。
上記実施例によれば、入力がIN0とIN0Bの差動入力となっているため,グランドレベルが揺らぐタイプのノイズが発生しても,誤った論理レベルをout0に出力することがない。また、VDD電圧が低電圧化してもノイズの影響を受け難いという特徴をもつ。 According to the above embodiment, since the input is a differential input of IN0 and IN0B, an erroneous logic level is not output to out0 even if noise of a type whose ground level fluctuates occurs. In addition, even if the VDD voltage is lowered, it is less susceptible to noise.
また、上記実施例によれば、100,101を薄酸化膜MOSトランジスタで構成しているため、高速動作が可能である。 Further, according to the above embodiment, since 100 and 101 are constituted by thin oxide film MOS transistors, high speed operation is possible.
100および101を、出力out0が接続される回路を構成するMOSトランジスタと同様の酸化膜厚およびしきい値電圧に設定し、102および103を、入力IN0,IN0Bを出力している回路のMOSトランジスタと同様の酸化膜厚およびしきい値電圧に設定すれば、プロセスの工数が削減できる。例えば102,103はI/O回路の出力段MOSトランジスタあるいは保護回路に使用するMOSトランジスタと同じものにすればよい。 100 and 101 are set to the same oxide film thickness and threshold voltage as the MOS transistors constituting the circuit to which the output out0 is connected, and 102 and 103 are the MOS transistors of the circuit that outputs the inputs IN0 and IN0B. If the same oxide film thickness and threshold voltage are set, the man-hours for the process can be reduced. For example, 102 and 103 may be the same as the output stage MOS transistor of the I / O circuit or the MOS transistor used in the protection circuit.
図3は、レベルアップ回路の回路図およびその動作波形図である。in0およびin0bがVDD(1.2V)の小振幅入力信号で。in0とin0bとは相補な関係にあるデュアルレール信号である。OUT0は3.3Vの大振幅出力信号である。300,301,302,303は図2(a)の200と同様の厚酸化膜PMOSである。304,305は図2(a)の201と同様の厚酸化膜NMOSである。図中の波形図のように、in0の論理レベルを振幅を大きくしてOUT0に出力する。入力が差動になっているため、ノイズに対して強いという特徴をもつ。
FIG. 3 is a circuit diagram of the level-up circuit and its operation waveform diagram. In0 and in0b are small amplitude input signals with VDD (1.2V). in0 and in0b are dual rail signals in a complementary relationship. OUT0 is a 3.3V large amplitude output signal.
図4は、図3と同様、レベルアップ回路の回路図と動作波形図である。 FIG. 4 is a circuit diagram and an operation waveform diagram of the level-up circuit as in FIG.
図3の回路は、1.2V(VDD)〜0V(VSS)の1.2V振幅の信号を、3.3V(VDDQ0〜0V(VSS)の3.3V振幅の信号に変換する回路であるが、図4は1.2V(VDD)〜0V(VSS)の1.2V振幅の信号を、1.2V(VDD)〜-2.1V(VSSQ)の3.3V振幅の信号に変換する回路である。VSSQは-2.1Vの負電源である。in0およびin0bがVDD(1.2V)の小振幅入力信号で、in0とin0bとは相補な関係にあるデュアルレール信号である.OUT0は1.2V〜-2.1Vまでの3.3Vの大振幅出力信号である。400,401,402,403は図2(a)の200と同様の厚酸化膜PMOSである。404,405は図2(a)の201と同様の厚酸化膜NMOSである。
図中の波形図のように、in0の論理レベルを振幅を大きくしてOUT0に出力する。
図3の回路と同様に入力が差動になっているため、ノイズに対して強いという特徴をもつ。
The circuit in FIG. 3 is a circuit that converts a 1.2 V amplitude signal from 1.2 V (VDD) to 0 V (VSS) into a 3.3 V amplitude signal from 3.3 V (
As shown in the waveform diagram in the figure, the logic level of in0 is increased in amplitude and output to OUT0.
Similar to the circuit of FIG. 3, since the input is differential, it has a feature of being resistant to noise.
図3と図4は、相補な関係にあるため、以下、図3の回路をもとに本発明のレベル変換回路を示すこととする。以下の発明においても、図4のように負電圧方向にも拡張できることは明かである。 Since FIG. 3 and FIG. 4 are in a complementary relationship, the level conversion circuit of the present invention will be shown below based on the circuit of FIG. It is obvious that the following invention can also be extended in the negative voltage direction as shown in FIG.
図5は、図3の回路をさらに低VDD電圧でも使用できるようにしたものである。 FIG. 5 shows the circuit of FIG. 3 that can be used even at a low VDD voltage.
図3と比較すると、電流源として使用しているPMOS 306が付加されている。VDDQの電位が固定されていて、VDDの電位が小さくなると、NMOS 304,305のオン電流(ソース・ゲート電位差がVDDの時の電流)がPMOS 302,303のオフ電流(ソース・ゲート電位差がVDDの時の電流)より小さくなってしまう。すると、PMOS 300,301からなるクロスカップルPMOSが反転しなくなる。これを防ぐには、PMOS 300, 301, 302, 303のゲート幅を小さくし、NMOS 304,405のゲート幅を大きくする必要がある。しかし,これは面積増加につながり、かつ、in0やin0bの入力容量を大きくすることになる。図5では、PMOS 306 を電源 VDDQに接続している。このようにすることで、PMOS 300, 301, 302, 303のゲート幅を小さくし、NMOS 304,405のゲート幅を大きくする必要がなくなる。面積増加はPMOS 306 分だけとなり、in0やin0bの入力容量も大きくならない。
Compared with FIG. 3, a
PMOS 306は電流を制限できるものであれば何でもよい。NMOSでもよい。また、挿入場所についても、PMOS 300と302の間と、PMOS 301と303の間に挿入してもよい。特に挿入場所は限定しないが、要は300から305までのゲート幅を調整するだけではなく、電流制限素子を回路中に挿入すればよい。
The
図6(a)は、図3の回路でさらに出力段にインバータ回路331を接続したものである。図3の出力OUT0はレベル変換回路の内部ノードにも成っているため、OUT0に接続される回路によってレベル変換回路の内部ノード電位の振る舞いが変わってしまう。これはレベル変換セルの遅延時間に影響をあたえ、ひいては誤動作の原因となる。図6(a)のように出力段にインバータを入れることで、OUT0に接続される回路がレベル変換セル内のノードに悪影響を与えることがなくなる。また、図3と比較するとOUT0の出力インピーダンスが小さくできるため、OUT0に多くの回路を接続した場合にトータルの遅延時間を削減できる。
FIG. 6A is a circuit in which an
レベル変換セルを自動配置配線ツールで使用するセルとして登録する場合、図6(a)の構成にすることで、耐ノイズ性にすぐれた高速レベル変換セルを構成することができる。また、出力の負荷に対する遅延依存性がCMOSインバータと同じになるため、タイミング解析にCMOSのそれをそのまま適用することができる。 When registering a level conversion cell as a cell to be used by the automatic placement and routing tool, a high-speed level conversion cell having excellent noise resistance can be configured with the configuration shown in FIG. 6 (a). In addition, since the delay dependency on the output load is the same as that of the CMOS inverter, it can be applied to the timing analysis as it is.
図6(b)は図6(a)の波形図である.インバータ331の挿入により、内部ノード333のスルーレートが遅いのに対し出力OUT0のスルーレートは速くなっている。
Fig. 6 (b) is the waveform diagram of Fig. 6 (a). By inserting the
図1の回路にも出力にインバータ回路を付加することで同様の効果を得ることができる。以下、レベル変換回路には図6(A)のインバータは付加しないが、付加することができることは明かである。 The same effect can be obtained by adding an inverter circuit to the output of the circuit of FIG. Hereinafter, although the inverter of FIG. 6 (A) is not added to the level conversion circuit, it is obvious that it can be added.
図7は、図3のレベルアップ回路に論理演算機能を付加したものである。in0およびin1が1.2V振幅の小振幅入力信号で、in0bおよびin1bはその相補信号である。OUT0は3.3V振幅の大振幅出力信号である。図3と比較すると、302および304から成るインバータと、303および305から成るインバータを、それぞれ502,504,506,508から成るNORと、03,505,507,509から成るNANDに置き換えている。このような構成にすることで,OUT0 = in0 or in1の論理演算が可能となる。 FIG. 7 is obtained by adding a logic operation function to the level-up circuit of FIG. in0 and in1 are small amplitude input signals having an amplitude of 1.2 V, and in0b and in1b are complementary signals thereof. OUT0 is a large amplitude output signal with 3.3V amplitude. Compared with FIG. 3, the inverter composed of 302 and 304 and the inverter composed of 303 and 305 are replaced with NOR composed of 502, 504, 506 and 508 and NAND composed of 03, 505, 507 and 509, respectively. With this configuration, logical operation of OUT0 = in0 or in1 becomes possible.
またさらに、502,504,506,508から成るNORをLOG1の演算を行う論理回路に置き換え、そのLOG1の回路に相補な回路を503,505,507,509から成るNANDと置き換えれば、OUT0 = ~LOG1 (~ はインバートを意味する)の論理演算機能を持つレベルアップ回路が構成できる。なお、図7では2入力(相補な信号を含むと4入力)信号であるが、それ以上の多入力な回路構成にすることも可能である。 Furthermore, if the NOR consisting of 502, 504, 506, 508 is replaced with a logic circuit that performs LOG1 operation, and the circuit complementary to that LOG1 circuit is replaced with NAND consisting of 503, 505, 507, 509, OUT0 = ~ A level-up circuit with a logical operation function of LOG1 (~ means invert) can be configured. Although FIG. 7 shows a 2-input (4 inputs including complementary signals) signal, a circuit configuration with more inputs than that can be used.
図8は、図7のレベルアップ回路を出力固定機能付きレベルアップ回路に応用したものである。513が出力固定機能付きレベルアップ回路である。図7と比較すると、インバータ512が付加され、in1bを3.3Vの大振幅信号IN1に変更し、in1をインバータ512でIN1から作っている。
FIG. 8 is an application of the level-up circuit of FIG. 7 to a level-up circuit with an output fixing function.
510は電源電圧1.2Vで動作する回路ブロックで、511は電源電圧3.3Vで動作する回路ブロックである。IN1=0Vにすることによって、in0およびin0bの電位がいかなる電位であってもOUT0=3.3Vが出力される。この状態では出力固定機能付きレベルアップ回路513の電源間VDDQからVSSに流れる貫通電流もない。
510 is a circuit block that operates at a power supply voltage of 1.2V, and 511 is a circuit block that operates at a power supply voltage of 3.3V. By setting IN1 = 0V, OUT0 = 3.3V is output regardless of the potentials of in0 and in0b. In this state, there is no through current flowing from VDDQ to VSS in the level-up
IN1=0Vにすることによって、回路ブロック510の電源をオフできる。in0およびin0bの電位が不定になるが、513に貫通電流は流れないし、その出力OUT0も確定するので回路ブロック511が誤作動することはない。
By setting IN1 = 0V, the power supply of the
回路ブロック510を低しきい値MOSトランジスタで構成した場合、回路ブロックを動作させないスタンバイ時にもサブスレッショルドリーク電流が流れ、電力を消費する。図8の構成にすることで、スタンバイ時に回路ブロック510の電源をオフにすることができ、上記サブスレッショルドリーク電流による電力消費を抑えることができる。
When the
また、図8ではMOSトランジスタのゲート幅等の回路定数については記述していないが、IN1に大振幅の信号が入力されるため、MOS 503,509,504,508のゲート長を、MOS 505,507,502,506のゲート長よりも小さくすればよい。以下のレベル変換の図でも同様に回路定数は記述しないが、一般に大振幅が入力されるMOSトランジスタと小振幅が入力されるMOSトランジスタによってCMOS回路が構成されている場合、大振幅が入力されるMOSトランジスタのゲート長を、小振幅が入力されるMOSトランジスタのゲート長よりも小さくすれば、対称性を保つことができる。
Further, although circuit constants such as the gate width of the MOS transistor are not described in FIG. 8, since a large amplitude signal is input to IN1, the gate length of the
図9の出力固定機能付きレベルアップ回路514は、IN1=3.3Vの時にOUT0=0Vに固定する出力固定機能付きレベルアップ回路である。OUT0=3.3Vで固定したい場合は図8の513を、OUT0=0Vで固定したい場合は図9の514を使用すればよい。
A level-up
図10および図11はそれぞれ図8および図9の機能を別の方法で実現したものであり、図10の515および図11の516は出力固定機能付きレベルアップ回路である。回路ブロック510の電源をオフしても、IN1を適切な値に設定することで515ないし516の電源間に流れる貫通電流を防ぐことができ、出力OUT0を安定させることができる。
FIGS. 10 and 11 respectively implement the functions of FIGS. 8 and 9 by different methods, and 515 in FIG. 10 and 516 in FIG. 11 are level-up circuits with an output fixing function. Even if the power supply of the
図8から図11はあるレベルに出力OUT0を固定する出力固定機能付きレベルアップ回路を示したが、これらの回路とラッチ回路を用いるとIN1がある値になったときのOUT0のレベルを保持する回路を構成せきる。図12がその一例である。513は図8の出力固定機能付きレベルアップ回路で、522はラッチ回路である。IN1が3.3Vから0Vに変化すると、そのときの521の信号レベルをOUT0にラッチする。上記のように、IN1が0Vの状態では、回路ブロック510の電源をオフできる。in0およびin0bの電位が不定になるが、513に貫通電流は流れないし、その出力OUT0も確定するので回路ブロック511が誤作動することはない。
8 to 11 show a level-up circuit with an output fixing function that fixes the output OUT0 to a certain level. If these circuits and a latch circuit are used, the level of OUT0 is maintained when IN1 becomes a certain value. Complete the circuit. An example is shown in FIG. 513 is a level-up circuit with an output fixing function shown in FIG. 8, and 522 is a latch circuit. When IN1 changes from 3.3V to 0V, the signal level of 521 at that time is latched to OUT0. As described above, when IN1 is 0V, the power supply of the
また、この実施例は、513に限らず、図9から図11までの出力固定機能付きレベルアップ回路を用いて同様のことができることは言うまでもない。 This embodiment is not limited to 513, and it goes without saying that the same can be achieved by using the level-up circuit with an output fixing function shown in FIGS.
図13に以上で示した出力固定機能付きレベルアップ回路とレベルダウン回路を用いた回路システム600の実施例を示す。
FIG. 13 shows an embodiment of the
601はVDD=1.2Vが供給された低電圧回路ブロックで、低しきい値MOSトランジスタで構成されている。一方、602はVDDQ=3.3が供給された高電圧回路ブロックで、601を構成するMOSトランジスタよりも高いしきい値のMOSトランジスタで構成されている。したがって、回路ブロック602の電源間に流れるサブスレッショルドリーク電流は回路ブロック601のそれに比較して無視できる量である。6031から603nは図8から図13で示した出力固定機能付きレベルアップ回路である。6041から604nはレベルダウン回路でたとえば図1に示すものである。
回路ブロック601を低しきい値MOSトランジスタで構成しているため、回路ブロック601を動作させないスタンバイ時にもサブスレッショルドリーク電流が流れ、電力を消費する。スタンバイ時にレベルアップ回路群603のIN1にそれぞれ適切な値を入力することで、回路ブロック601の電源をオフにすることができ、上記サブスレッショルドリーク電流による電力消費を抑えることができる。レベルアップ回路群603の出力OUT0も固定されるため回路ブロック602が誤作動することもない。
Since the
回路ブロック602に搭載する回路機能等は限定しないが、時計機能やメモリ等の電源をオフにできない回路群を納めることにより、回路ブロック601の電源を頻繁にオフすることができる。
Although the circuit function and the like mounted on the
回路ブロック601の電源をオフにする手段は特に限定しないが、回路ブロック601と電源VDDとの間にPMOSを挿入してもよい。それらの回路システム600を1チップ上に集積すれば、チップ外部に回路ブロック601の電源をオフするスイッチを装備する必要がない。
A means for turning off the power supply of the
図14は、さらに、回路ブロック601を2系統の回路ブロック601Aおよび601Bに分離したものである。
In FIG. 14, the
図13の回路ブロック601は電源がオフすると回路ブロック601内のノードの電位は不定となり、回路ブロック601内にSRAMやDRAM等のメモリ回路があった場合にその情報が保持できないという欠点がある。
The
図14ではメモリ等の電源がオフできない回路を回路ブロック601aに、オフしてもよい回路を回路ブロック601bに搭載する。PSCは電源スイッチ制御回路で、PSCからの信号701aおよび701bで電源スイッチPMOS702a,702bをオン・オフする。603a,603b出力固定機能付きレベルアップ回路群である。604aと604bはレベルダウン回路群である。601aと601bの間にも、回路ブロック601bの電源をオフした時、回路ブロック601aが誤作動しないように固定回路が必要であるが、NANDやNORといったCMOS回路を使用すれば簡単に実現できるのでここでは省略している。
In FIG. 14, a circuit such as a memory that cannot be turned off is mounted on the
図14の構成のシステムでは、スタンバイに2状態が設けられる。一つは電源スイッチPMOS 702bをオフして、回路ブロック601bの電源をオフにする状態(以下、スタンバイ1と記す)である。もう一つはスタンバイ1の状態に加えて、電源スイッチPMOS 702aをオフにして回路ブロック601aの電源をオフにする状態(以下、スタンバイ2と記す)である。スタンバイ1では回路ブロック601bのサブスレッショルドリーク電流を削減できる。回路ブロック601bは電源がオフからオンに遷移してもメモリ等の回路が搭載されていないので誤作動しない。したがって、スタンバイ1からの復帰は高速にできる。それに対して、回路ブロック601aの電源をオフにするスタンバイ2に遷移すると、回路ブロック601a内のメモリ等の内容が消去されるため、スタンバイ2からの復帰に時間がかかる。しかし、スタンバイ2ではスタンバイ1の状態に加えてさらに回路ブロック601aのサブスレッショルドリーク電流も削減でき、より低電力になる。比較的短い時間だけ回路ブロック601aおよび601bの動作を止めるのであればスタンバイ1の状態に、長い時間止めるのであれば,スタンバイ2の状態にすればよい。
In the system configured as shown in FIG. 14, two states are provided for standby. One is a state in which the power supply of the
図15はさらに図14に基板バイアス制御回路VBCaおよびVBCbを付加したものである。上記説明のようにスタンバイ1の状態では回路ブロック601aにはサブスレッショルドリーク電流が流れる。図14の発明ではスタンバイ1状態の時に、基板バイアス制御回路VBCaにより回路ブロック601a中のMOSトランジスタの基板電位を以下のように制御する。
(1) PMOSについては、電源電位よりも高い電位にする。
(2) NMOSについては、電源電位よりも低い電位にする。
これにより、回路ブロック601a中のMOSトランジスタのしきい値電圧が上がり、サブスレッショルドリーク電流が低減できる。電源はオンのままであるため、回路ブロック601a中のメモリ等の内容は保持されたままになる。
FIG. 15 is obtained by adding substrate bias control circuits VBCa and VBCb to FIG. As described above, a subthreshold leakage current flows in the
(1) The PMOS is set to a potential higher than the power supply potential.
(2) For NMOS, use a potential lower than the power supply potential.
As a result, the threshold voltage of the MOS transistor in the
回路ブロック601bに接続されている基板バイアス制御回路VBCbはIDDQテスト時に使用することができる。IDDQテスト時には被測定回路を電源ラインから遮断することになるため、電源スイッチPMOS 702aおよび702bがオフできない。基板バイアス制御回路VBCaおよびVBCbを用いて回路ブロック601aおよび601bを構成するMOSトランジスタのしきい値電圧を上げ、サブスレッショルドリーク電流を小さくすることでIDDQテストが実行できる。
The substrate bias control circuit VBCb connected to the
本発明は、構成は特に図15のものに限定する必要はなく、高しきい値MOSトランジスタで構成され、高電圧が印加された回路ブロック1と、低しきい値MOSトランジスタで構成され、低電圧が印加された回路ブロック2からなるシステムにおいて、回路ブロック1と回路ブロック2間は出力固定機能付きレベルアップ回路群とレベルダウン回路群でインターフェースする。回路ブロック1には高速動作が要求されるものを搭載し、回路ブロック2には低速でもよく、あまり電力を消費しないRTC等の回路を搭載する。さらに、回路ブロック1をメモリ等の電源をオフすれば復帰に時間がかかる回路を含む回路ブロック1Aと、それ以外の回路ブロック1Bに分け、それぞれの回路ブロック1の電源を制御する。さらにそれぞれの回路ブロック1に基板バイアス制御回路を付加すればよい。
The configuration of the present invention is not particularly limited to that shown in FIG. 15. The configuration is composed of a high threshold MOS transistor, which is composed of a
図16(a)は図14および図15で用いた電源スイッチPMOS 702aの制御方法の実施例である。図16(a)では電源スイッチに高しきい値のPMOSを使用している。アクティブ時には電源スイッチPMOS 702a のゲート酸化膜耐圧が許す限りなるべく負電位にゲート端子の電位701aを制御している。これにより多くの電流をPMOSに流すことができる。印加する負電位は例えば基板バイアス制御の際に使用する負電圧が使用できる。一方、スタンバイ時にはゲート電位701aをVDD電位の1.2Vに制御している。上記のように電源スイッチPMOS 702aは高しきい値MOSトランジスタであるため、この電位で十分に電源スイッチPMOS 702aをオフできる。
FIG. 16 (a) shows an embodiment of a method for controlling the
図16(b)は図16(a)の電源スイッチPMOS 702aを低しきい値PMOSで構成した場合の電源スイッチPMOS 702aの制御方法の実施例である。アクティブ時には電源スイッチPMOS 702a のゲート電圧702aは0Vに制御している。電源スイッチPMOS 702aは低しきい値なMOSトランジスタで構成されているため、多くの電流を流すことが可能である。一方、スタンバイ時にはゲート電位701aをゲート酸化膜耐圧が許す限りなるべく正電位に制御している。ここでは3.3Vに制御している。このように制御することで電源スイッチPMOS 702aは低しきい値MOSトランジスタであるが十分なオンオフ特性が得られる。
FIG. 16B shows an embodiment of a method for controlling the
図16(a)および図16(b)の制御方法は特にPMOSに限らない。NMOSの電源スイッチを用いた場合にも極性が異なるだけで、まったく同様なことができることは明かである。 The control method in FIGS. 16 (a) and 16 (b) is not limited to the PMOS. Obviously, when using an NMOS power switch, the same thing can be done with only different polarities.
図17は図16(A)で示したゲート電圧701aの生成方法の実施例を示したものである。710は負電圧発生回路で、3.3Vから-2.1Vを生成して、712に出力している。711はゲート電圧701aを制御する電源スイッチ制御回路で、VDD(1.2V)と、さきほどの712(-2.1V)が電源として供給されている。712は基板バイアスで、601aを構成するMOSトランジスタの基板電位がこの電圧で制御される。
FIG. 17 shows an embodiment of a method for generating the
このように、基板バイアス制御に用いる負電源電圧712と、電源スイッチ702aを制御するのに必要な負電源電圧を共通化することで、図16(a)の制御を実現するのに必要な回路の規模を大幅に削減できる。
Thus, by sharing the negative
次に、これまで述べてきたレベル変換回路を用いてIC(半導体集積回路)の外部端子(ピン)に接続される入出力回路を構成した例について説明する。 Next, an example in which an input / output circuit connected to an external terminal (pin) of an IC (semiconductor integrated circuit) using the level conversion circuit described so far will be described.
図18は本発明によるIC(半導体集積回路)の外部端子(ピン)に接続される入出力回路の例を示す。 FIG. 18 shows an example of an input / output circuit connected to an external terminal (pin) of an IC (semiconductor integrated circuit) according to the present invention.
PB1とNB1はそれぞれ外部端子I/Oに接続されるべき外部回路の負荷を駆動するに十分高いコンダクタンスを有するPMOSとNMOSであり、両者は出力バッファー回路を構成する。図の左端にあるインバータINV7、NANDゲートNAND1及びNORゲートNOR1は、出力制御信号/OEが“0”のときに出力信号Outの情報が出力バッファーを通じて外部端子I/Oに導かれるようにし(出力バッファーはどちらか一方のMOSが導通し、低出力インピーダンスになる)、/OEが“1”のときに出力信号Outの状態に関らず出力バッファーの両MOSを共に非導通にして、出力バッファーを高出力インピーダンスにするトライステート論理演算を行う回路である。 PB1 and NB1 are PMOS and NMOS having conductances high enough to drive the load of the external circuit to be connected to the external terminal I / O, respectively, and both constitute an output buffer circuit. The inverter INV7, NAND gate NAND1 and NOR gate NOR1 at the left end of the figure are configured such that when the output control signal / OE is “0”, the information of the output signal Out is guided to the external terminal I / O through the output buffer (output). Either one of the MOS transistors becomes conductive and the output impedance is low). When / OE is “1”, both MOSs of the output buffer are made non-conductive regardless of the state of the output signal Out. Is a circuit that performs a tri-state logic operation to make the output impedance high.
外部端子I/OはNORゲートNOR2にの入力側にも接続され入出力共用端子とされている。NORゲートNOR2は入力制御信号/IEが論理“0”のときは外部端子I/OにICの外部から供給される情報を図の左端にある端子/INに伝達し(/In端子は外部端子I/Oに供給される信号の反転レベルとなる)、入力制御信号/IEが論理“1”のときにその伝達をブロックする(/In端子は強制的に論理“0”にされる)。 The external terminal I / O is also connected to the input side to the NOR gate NOR2 and is used as an input / output shared terminal. When the input control signal / IE is logic “0”, the NOR gate NOR2 transmits information supplied from the outside of the IC to the external terminal I / O to the terminal / IN at the left end of the figure (the / In terminal is an external terminal) When the input control signal / IE is logic “1”, the transmission is blocked (the / In terminal is forcibly set to logic “0”).
P3はプルアップ用のPMOSであり、論理“0”と開放(open、高インピーダンス)の2状態のうちの一つで外部入力がI/O端子に供給される場合に使用される。P3はプルアップ制御信号/PUが論理“0”のとき導通し、外部入力が論理“0”のときは論理“0”を、外部入力が開放のときは論理“1”となる信号をNORゲートNOR2に伝達する。P3の導通時のインピーダンスは外部入力の論理“0”のときのインピーダンスよりも十分大きくなるよう、P3のチャンネル長はそのチャンネル幅Wよりも大きくされる。 P3 is a PMOS for pull-up, and is used when an external input is supplied to the I / O terminal in one of two states of logic “0” and open (high impedance). P3 conducts when the pull-up control signal / PU is logic "0", and outputs a signal that becomes logic "0" when the external input is logic "0" and logic "1" when the external input is open. It is transmitted to the gate NOR2. The channel length of P3 is made larger than the channel width W so that the impedance when P3 is conductive becomes sufficiently larger than the impedance of the external input logic “0”.
図の左側点線枠で囲まれたブロックは低電圧電源の回路であり、図示された範囲内においては、全てのPMOSのN型基板(N型ウェル)N−SUBはPMOS用ウェル電源Vbpに接続され、全てのNMOSのP型基板( P型ウェル)P−SUBはNMOS用ウェル電源Vbnに接続される。電源は0VのVssと1.2VのVddが使われる。また、殆どのMOSは後述する高電圧電源の回路よりも低しきい値電圧とされ、ゲート絶縁膜も薄く形成される。最小チャンネル長は一例として0.2μmと高電圧電源の回路の最小チャンネル長0.32μmよりも短くされる。 The block surrounded by the dotted line on the left side of the figure is a circuit of a low voltage power supply. Within the range shown, all PMOS N-type substrates (N-type wells) N-SUB are connected to the PMOS well power supply Vbp. All NMOS P-type substrates (P-type wells) P-SUB are connected to the NMOS well power supply Vbn. The power supply uses Vss of 0V and Vdd of 1.2V. Most MOSs have a lower threshold voltage than a high-voltage power supply circuit described later, and the gate insulating film is also formed thin. As an example, the minimum channel length is 0.2 μm, which is shorter than the minimum channel length of 0.32 μm of the high voltage power supply circuit.
インバータ回路INV4〜INV9としては図21の(c)が、NAND回路NAND1とNOR回路NOR1はそれぞれ(b)及び(a)が使用される。 21 (c) is used as the inverter circuits INV4 to INV9, and (b) and (a) are used as the NAND circuit NAND1 and the NOR circuit NOR1, respectively.
図の右側点線枠で囲まれたブロックは高電圧電源の回路であり、電源は0VのVssqと3.3VのVddqが使われる。図示された範囲内においては、全てのPMOSのN型基板(N型ウェル)N−SUBは電源Vddqに、全てのNMOSのP型基板( P型ウェル)P−SUBは電源Vssqに接続され、また全てのMOSは高しきい値電圧とされ、ゲート絶縁膜も厚く形成される。電源VssとVssqは、ICの外部で、例えばICを実装したプリント配線基板で接続されるが、外部端子(ピン)、ボンディングパッド、IC内配線は別に分けられる。このように、IC内で電源VssとVssqを分けるのは、負荷電流の変動が電源配線にのって動作上のノイズになるのを防ぐためである。 The block surrounded by the dotted line on the right side of the figure is a high voltage power supply circuit, and Vssq of 0V and Vddq of 3.3V are used for the power supply. Within the range shown, all PMOS N-type substrates (N-type wells) N-SUB are connected to the power supply Vddq, and all NMOS P-type substrates (P-type wells) P-SUB are connected to the power supply Vssq. All the MOSs are set to a high threshold voltage, and the gate insulating film is also formed thick. The power sources Vss and Vssq are connected to the outside of the IC, for example, by a printed wiring board on which the IC is mounted, but the external terminals (pins), bonding pads, and IC internal wiring are separated. As described above, the power sources Vss and Vssq are separated in the IC in order to prevent fluctuations in the load current from becoming operational noise on the power source wiring.
低電源電圧の回路ブロックにあるLSDは、高電源電圧回路を経て供給される3.3Vの高振幅信号を、低電源電圧の回路で処理できるよう1.2Vの低振幅信号にレベル変換するためのレベルシフト(レベルダウン)回路であり、図1に示した回路が使用される。MOS102と103は高電源電圧回路で使用されるMOSと同じゲート酸化膜形成プロセスでゲート絶縁膜が厚く形成される。MOS102と103のチャンネル長は低電源電圧の回路の最小チャンネル長の0.2μmではなく、高電圧電源の回路の最小チャンネル長0.32μmが適用される。
The LSD in the low power supply voltage circuit block converts the level of the 3.3V high amplitude signal supplied via the high power supply voltage circuit into a 1.2V low amplitude signal so that it can be processed by the low power supply voltage circuit. 1 is used, and the circuit shown in FIG. 1 is used. In the
図18の左側低電圧ブロックは図示した範囲では上述のレベルダウン回路LSDを除きゲート絶縁膜は薄く形成され、チャンネル長は低電源電圧の回路の最小チャンネル長の0.2μmが適用される。 In the low voltage block on the left side of FIG. 18, the gate insulating film is formed thin except for the above-described level down circuit LSD, and the channel length is 0.2 μm which is the minimum channel length of the low power supply voltage circuit.
高電源電圧回路にあるLSU1〜LSU4は低電源電圧の回路から供給される1.2Vの低振幅信号を3.3Vの高振幅信号にレベルアップするためのレベルシフト回路であり、図3に示す回路が使用される。 LSU1 to LSU4 in the high power supply voltage circuit are level shift circuits for leveling up the 1.2V low amplitude signal supplied from the low power supply voltage circuit to the 3.3V high amplitude signal, as shown in FIG. A circuit is used.
INV1とINV2は出力バッファーPB1・NB1を駆動するためのプリ・バッファー回路であり、図21(C)の反転回路が使用される。出力バッファーPB1・NB1は低出力インピーダンスとなるよう大きな面積で作られるためその入力容量(ゲート)は大きくなる。このプリ・バッファーは下記の役割・構成とされる。 INV1 and INV2 are pre-buffer circuits for driving the output buffers PB1 and NB1, and the inversion circuit shown in FIG. 21C is used. Since the output buffers PB1 and NB1 are formed with a large area so as to have a low output impedance, the input capacitance (gate) becomes large. This pre-buffer has the following roles and configurations.
(1)レベルシフト回路LSU1、LSU2の負荷容量を小さくでき、レベルシフト回路の設計パラメータの設定が出力バッファーの大きな入力容量で制約を受けない。 (1) The load capacity of the level shift circuits LSU1 and LSU2 can be reduced, and the setting of the design parameters of the level shift circuit is not restricted by the large input capacity of the output buffer.
(2)レベルシフト回路LSU1、LSU2は入力信号Iと/Iで前の出力状態を反転させることができるように、入力側NMOS304と305よりもクロスカップル側のPMOS300〜303の導通時インピーダンスを大きくする。クロスカップル側のインピーダンスを小さくして出力バッファーを直接駆動しようとすると、入力MOSのインピーダンスを一層小さくしなければならず、占有面積や消費電力の面でそれは得策ではない。従って、レベル変換機能はレベルシフト回路で、出力バッファーの駆動はプリバッファーと役割分担させる。図3のように入力側がNMOSの場合、論理“1”を出力するときの各回路の出力インピーダンスは小さい方から出力バッファー、プリバッファー、レベルシフト回路の順序とされる。論理“0”を出力するときの各回路の出力インピーダンスは殆どの場合上述と同じ順に設定されるが、後述する出力バッファーのスイッチング特性を考慮して、小さい方から出力バッファー、レベルシフト回路、プリバッファーの順序とされることもある。同様に、図4のように入力側がPMOSの場合、論理“0”を出力するときの各回路の出力インピーダンスは小さい方から出力バッファー、プリバッファー、レベルシフト回路の順序とされる。論理“1”を出力するときの各回路の出力インピーダンスは殆どの場合上述と同じ順に設定されるが、後述する出力バッファーのスイッチング特性を考慮して、小さい方から出力バッファー、レベルシフト回路、プリバッファーの順序とされることもある。
(2) The level shift circuits LSU1 and LSU2 have a larger impedance at the time of conduction of the
(3)出力バッファーが前の出力状態から反転状態に移り変わるとき両方のMOSが同時に導通することは避けたいものであり、せめて同時に導通する期間は短くしたいものである。つまり、双方のMOSはターンオフは早目、ターンオンは遅目にしたいということになる。また、出力端子I/Oに出力する信号の波形は立ち下がりや立ち上がりが急峻すぎると微分ノイズが周りの外部ピンやプリント基板の周辺の配線にのり易くなるのである程度なまらせるのが良い。プリバッファーは以上の点を考慮して出力インピーダンスが設定される。 (3) When the output buffer changes from the previous output state to the inverted state, it is desirable to avoid both MOSs from conducting at the same time, and at least to reduce the period during which they are conducted at the same time. In other words, both MOSs want to turn off early and turn on late. Also, if the waveform of the signal output to the output terminal I / O is too steep or rising, the differential noise can easily be applied to the surrounding external pins or the wiring around the printed circuit board, so that it should be smoothed to some extent. The output impedance of the pre-buffer is set in consideration of the above points.
プリバッファの入力側にドレインが接続されたN1とP1のMOSは、応用システムの電源投入時等に、電源Vddqは立ち上がっているが、電源Vddが未だ立ち上がっていないときに(電源投入シーケンスはVddqがVddよりも早く立ち上がるように設定される)、低電源電圧の回路からの信号が不定であるためにPB1とNB1のバッファーMOSの両方が同時に導通し大きな貫通電流が流れてしまうことを、防ぐために設けられたものである。P1はPB1のゲート電位がロウレベル“L”のときに、N1はNB1のゲート電位がハイレベル“H”のときに導通する。通常動作時を考えると、PB1とNB1が共にオフの高出力インピーダンスモードでは、N1とP1も共にオフであり通常動作に影響を与えない。PB1とNB1のいずれか一方のみがオンする低出力インピーダンスモードではN1とP1のオンした方のMOSはPB1とNB1のオフした他方をオフにするよう働くので通常動作に事実上影響を与えない。通常動作ではPB1とNB1の両方をオンにすることは禁止され、そのような入力電位(異常状態:PB1のゲート電位が“L”でNB1のゲート電位が“H”)は供給されない。上述の低電源電圧の回路からの信号が不定の場合、このような異常状態になる可能性があるが、異常状態に近づくとN1とP1が導通し始めPB1とNB1のゲート電位を同じ方向に動かそうとするので、最終的にはPB1とNB1のいずれか一方のみがオンするよう働くことになる。 The N1 and P1 MOS transistors whose drains are connected to the input side of the pre-buffer have the power supply Vddq raised when the application system is turned on, but the power supply Vdd is not yet turned on (the power-on sequence is Vddq). Therefore, it is possible to prevent both PB1 and NB1 buffer MOSs from conducting simultaneously and causing a large through current to flow because the signal from the low power supply voltage circuit is indefinite. It is provided for the purpose. P1 conducts when the gate potential of PB1 is low level “L”, and N1 conducts when the gate potential of NB1 is high level “H”. Considering the normal operation time, in the high output impedance mode in which both PB1 and NB1 are OFF, both N1 and P1 are OFF and do not affect the normal operation. In the low output impedance mode in which only one of PB1 and NB1 is turned on, the MOS with N1 and P1 turned on functions to turn off the other of PB1 and NB1 turned off, so that the normal operation is not substantially affected. In normal operation, it is prohibited to turn on both PB1 and NB1, and such an input potential (abnormal state: the gate potential of PB1 is “L” and the gate potential of NB1 is “H”) is not supplied. If the signal from the low power supply voltage circuit described above is indefinite, such an abnormal state may occur. However, when the abnormal state approaches, N1 and P1 begin to conduct, and the gate potentials of PB1 and NB1 are set in the same direction. Since it is going to move, only one of PB1 and NB1 will eventually be turned on.
N2〜N5のMOSは上記電源投入時の貫通電流対策を更に確実にするための回路である。電源投入時、レベルシフト回路LSU1の出力Qと/Qが上昇し始めると、N3が導通し始め入力/Iは“L”レベル側に引き込まれ、出力Qは“H”レベル側に引き込まれる。同様に、N2も導通し始め出力/Qが“L“レベル側に引き込まれ、出力Qは“H”レベル側に引き込まれる。つまり、N2及びN3は電源投入時共にレベルシフト回路LSU1の出力Qを“H”レベルに引き込むように作用する。なお、通常動作時は、入力Iが“H”レベルのときは出力Qは“H”レベルになるが、そのときN2とN3は出力Qを“H”レベルに、つまり同じ方向に動かせるので、また、入力Iが“L”レベルのときはN2とN3は非導通となり、N2とN3は入力Iと/Iに基づく出力Qと/Qの論理動作に悪影響を与えない。 The N2 to N5 MOS circuits are circuits for further ensuring the countermeasure against through current when the power is turned on. When the power is turned on, when the outputs Q and / Q of the level shift circuit LSU1 start to rise, N3 starts to conduct and the input / I is drawn to the “L” level side, and the output Q is drawn to the “H” level side. Similarly, N2 starts to conduct and the output / Q is pulled to the “L” level side, and the output Q is pulled to the “H” level side. That is, N2 and N3 act so as to pull the output Q of the level shift circuit LSU1 to "H" level when the power is turned on. During normal operation, when the input I is at the “H” level, the output Q is at the “H” level. At that time, the N2 and N3 can move the output Q to the “H” level, that is, in the same direction. When the input I is at the “L” level, N2 and N3 are non-conductive, and N2 and N3 do not adversely affect the logic operation of the outputs Q and / Q based on the inputs I and / I.
N4とN5は同様な動作をするので説明を省略するが、レベルシフト回路LSUの入出力端子への接続が、レベルシフト回路LSU1の場合と逆になっているため、電源投入時出力Qは“L”側に引き込まれるようになる点が相違する。 Since N4 and N5 operate in the same manner, the description thereof is omitted. However, since the connection to the input / output terminals of the level shift circuit LSU is opposite to that in the level shift circuit LSU1, the output Q at power-on is “ The difference is that it is drawn to the L ″ side.
このように、N2〜N5は電源投入時LSU2の出力Qを“L”、LSU1の出力Qを“H”側に引き込むため、出力バッファーPB1とNB1を共に非導通にするよう作用する。したがって、電源投入時N1とP1の方が早く動作すれば出力バッファーPB1とNB1はいずれか一方のみが導通し、N2〜N5の方が早く動作すれば出力バッファーPB1とNB1が共に非導通となるので、いずれの場合でも出力バッファーPB1とNB1が共に導通してしまうことを防ぐことができる。 In this way, N2-N5 pulls the output Q of LSU2 to "L" and the output Q of LSU1 to "H" when power is turned on, so that both output buffers PB1 and NB1 are made non-conductive. Therefore, if N1 and P1 operate earlier when the power is turned on, only one of the output buffers PB1 and NB1 becomes conductive. If N2 to N5 operate earlier, both the output buffers PB1 and NB1 become nonconductive. Therefore, in either case, it is possible to prevent the output buffers PB1 and NB1 from becoming conductive.
N6は同様に電源投入時レベルシフト回路LSU3の出力Qを“H”レベルに引き込み、入出力端子I/Oの状態が内部回路/Inに伝達されないようにしている。 Similarly, N6 pulls the output Q of the level shift circuit LSU3 at power-on to "H" level so that the state of the input / output terminal I / O is not transmitted to the internal circuit / In.
N7も同様に電源投入時レベルシフト回路LSU4の出力Qを“H”レベルに引き込み、プルアップ用のP3が非導通になるようにしている。 Similarly, N7 pulls the output Q of the level shift circuit LSU4 at power-on to "H" level so that the pull-up P3 becomes non-conductive.
なお、LSU2に接続されたN4とN5の一方、LSU1に接続されたN2とN3の一方はLSU3、4と同様に省略しても良い。 Note that one of N4 and N5 connected to LSU2 and one of N2 and N3 connected to LSU1 may be omitted in the same manner as LSU3 and 4.
ESD1とESD2は図21の(d)に示される静電破壊保護回路であり、入出力端子I/Oにサージ電圧飛び込んだときに出力バッファーPB1,NB1のゲート絶縁膜が破壊することを防ぐための回路である。 ESD1 and ESD2 are electrostatic breakdown protection circuits shown in FIG. 21 (d), and prevent the gate insulating films of the output buffers PB1 and NB1 from being destroyed when a surge voltage jumps into the input / output terminal I / O. Circuit.
図18に戻るが、抵抗R1とP2とN8のMOSは入出力端子I/Oにサージ電圧飛び込んだときにNORゲートNOR2のMOSのゲート絶縁膜が破壊することを防ぐための回路である。抵抗R1とN9のMOSは入出力端子I/Oにサージ電圧飛び込んだときにP3のプルアップ用MOSのゲート絶縁膜が破壊することを防ぐための回路である。 Returning to FIG. 18, the resistors R1, P2, and N8 MOS are circuits for preventing the gate insulating film of the MOS of the NOR gate NOR2 from being destroyed when the surge voltage jumps into the input / output terminal I / O. The resistors R1 and N9 are circuits for preventing the gate insulating film of the pull-up MOS of P3 from being destroyed when a surge voltage jumps into the input / output terminal I / O.
ESD3〜ESD10は図21の(e)に示される静電破壊保護回路であり、異種電源VddとVddq間、VddとVssq間、VssとVddq間又はVssとVssq間(VssとVssqは実装状態ではプリント基板上で接続されるが、サージ対策が特に必要とされるIC単体の取り扱い状態では開放されている)にサージ電圧が飛び込んだときに、図18の左側の低電圧電源負荷回路と右側の高電圧電源負荷回路を通じて、レベルシフト回路LSU1〜LSU4のMOSのゲート絶縁膜が破壊することを防ぐための回路である。抵抗R3は、奇生容量と共にサージ電圧Iの波形をなまらしたり、保護素子N16又はP16によるバイパス電流が流れたときに電圧降下を発生し、レベルシフト回路LSU1〜LSU4のMOSのゲートにつながる出力端子Oへサージ電圧が加わることを抑制する働きがある。P16は、サージによりノードIが電源Vddqよりも正になった場合、P16のノードI側に接続されたソース接合(PN junction)が順方向にバイアスされ、その接合と電源Vddqに接続されたN基板(Nウェル)を通じて、サージのバイパス路をノードIと電源Vddqとの間に形成する。サージによりノードIが電源Vddqよりも負になった場合、P16のノードI側に接続されたドレイン接合(PN junction)が逆方向で降伏(breakdown)し、その接合と電源Vddqに接続されたN基板(Nウェル)を通じて(又は、更には反対側のソース接合をも通じて)、サージのバイパス路をノードIと電源Vddqとの間に形成する。P16のゲートは電源Vddqに接続されているため、ドレイン接合の電界集中が大きく、降伏電圧は低くなっている(絶対値で)。 ESD3 to ESD10 are electrostatic breakdown protection circuits shown in FIG. 21 (e), and are between different power sources Vdd and Vddq, between Vdd and Vssq, between Vss and Vddq, or between Vss and Vssq (Vss and Vssq are in the mounted state). 18 when the surge voltage jumps into the IC itself, which is connected on the printed circuit board, but is open in the handling state of the IC alone that requires countermeasures against surges, and the low voltage power load circuit on the left side of FIG. This is a circuit for preventing the MOS gate insulating films of the level shift circuits LSU1 to LSU4 from being destroyed through the high voltage power supply load circuit. The resistor R3 smooths the waveform of the surge voltage I together with the strange capacitance, or generates a voltage drop when a bypass current flows through the protective element N16 or P16, and outputs connected to the MOS gates of the level shift circuits LSU1 to LSU4 It has a function of suppressing the application of a surge voltage to the terminal O. In P16, when node I becomes more positive than power supply Vddq due to surge, the source junction (PN junction) connected to node I side of P16 is forward biased, and N connected to the junction and power supply Vddq A surge bypass path is formed between the node I and the power supply Vddq through the substrate (N well). When node I becomes more negative than the power supply Vddq due to surge, the drain junction (PN junction) connected to the node I side of P16 breaks down in the reverse direction, and N connected to the junction and power supply Vddq A surge bypass is formed between node I and power supply Vddq through the substrate (N-well) (or even through the opposite source junction). Since the gate of P16 is connected to the power supply Vddq, the electric field concentration at the drain junction is large and the breakdown voltage is low (in absolute value).
ノードIと電源Vssqとの間にサージ電圧が加わった場合は、前記と逆の正負関係でN16がノードIと電源Vssq間にバイパス路を形成する。 When a surge voltage is applied between the node I and the power supply Vssq, N16 forms a bypass path between the node I and the power supply Vssq in the opposite positive / negative relationship.
なお、通常の動作では、前述したノードI側のP16とN16のドレイン接合は順方向にバイアスされることもないし、降伏電圧を超える逆バイアス電圧も加わらず、またP16とN16は共にゲートとソースが短絡されているので非導通であり、保護回路は通常の論理動作に影響を与えない。 In normal operation, the drain junction of P16 and N16 on the node I side described above is not forward-biased and no reverse bias voltage exceeding the breakdown voltage is applied, and both P16 and N16 are gate and source. Are short-circuited because they are shorted, and the protection circuit does not affect normal logic operation.
以上説明した静電破壊保護素子は図18の右側点線枠で囲まれた高電圧電源の回路ブロック内に形成されており、ゲート絶縁膜は厚く形成され保護素子そのものが破壊されないようにしている。 The electrostatic breakdown protection element described above is formed in the circuit block of the high voltage power supply surrounded by the right dotted line frame in FIG. 18, and the gate insulating film is formed thick so that the protection element itself is not destroyed.
図18に示す入出力回路は多数組みチップのボンディングパッド周辺に配列され、回路としては標準装備される。各用途、各品種に応じて、入出力端子I/Oは入力専用端子であったり、出力専用端子であったり、入出力兼用端子であったりする。各入出力回路で不要な回路は図19に示す方法で事実上動作しないようにできる。C1〜C10は低電圧電源の回路と高電圧電源の回路間の配線を施さないことにより、高電圧電源の特定の回路を動作させないようにするための「断線」個所を示す。S1〜S10は入力経路がそのような形で遮断されている場合、入力を特定の論理に低いインピーダンスで固定することを示すもので、Icの内部配線でVssq又はVddqに接続される。例えば、端子I/Oを入力専用とする場合、C7〜C10の個所で配線が断たれ(配線パターンを設けない)、レベルシフト回路LSU1、2の入力Iと/Iは図示したように電源に接続することにより、出力バッファーPB1とNB1は共に非導通とされる。レベルシフト回路の入力を特定の論理レベルに固定すれば、ノイズによりスイッチング動作することもなく、誤動作や電力の無駄を防止できる。また、できるだけ前段の回路の入力を固定することにより、後続の回路での細工も不要とすることができる。 The input / output circuit shown in FIG. 18 is arranged around the bonding pads of a large number of chips and is provided as a standard circuit. Depending on each application and each product type, the input / output terminal I / O may be an input-only terminal, an output-only terminal, or an input / output terminal. Circuits that are unnecessary in each input / output circuit can be practically disabled by the method shown in FIG. C1 to C10 indicate “disconnections” for preventing a specific circuit of the high voltage power supply from operating by not providing wiring between the circuit of the low voltage power supply and the circuit of the high voltage power supply. S1 to S10 indicate that when the input path is blocked in such a manner, the input is fixed to a specific logic with a low impedance, and is connected to Vssq or Vddq by an internal wiring of Ic. For example, when the terminal I / O is dedicated to input, the wiring is cut off at C7 to C10 (no wiring pattern is provided), and the inputs I and / I of the level shift circuits LSU1 and 2 are connected to the power supply as shown in the figure. By connecting, the output buffers PB1 and NB1 are both turned off. If the input of the level shift circuit is fixed at a specific logic level, a switching operation is not caused by noise, and malfunction and waste of power can be prevented. Further, by fixing the input of the preceding circuit as much as possible, it is possible to eliminate the need for work in the subsequent circuit.
図20は出力バッファーPB1とNB1の電源投入時の貫通電流防止回路を示す他の実施例である。同図で、図18と同じ部分は同符号を付してある。OGは電源Vddq投入後に特定の期間パルスOSPを発生するワン・ショット・パルス発生回路である。電源投入後、このパルスOSPによりN1とP1のMOSが導通し,インバーターINV1と2の出力はそれぞれ“L”、“H”となり、後続の出力バッファーPB1とNB1は共に非導通となる。このワン・ショット・パルス発生回路OGは他の入出力回路の同様な部分へ共通に(バッファーを介して)接続すれば入出力回路をコンパクトに集積化でき、また、レベルシフト回路LSU1〜4の電源投入時の初期状態設定にも使用することができる。 FIG. 20 shows another embodiment of the through current prevention circuit when the output buffers PB1 and NB1 are turned on. In the figure, the same parts as those in FIG. OG is a one-shot pulse generation circuit that generates a pulse OSP for a specific period after the power source Vddq is turned on. After power-on, the MOS of N1 and P1 is turned on by this pulse OSP, the outputs of the inverters INV1 and 2 become “L” and “H”, respectively, and the subsequent output buffers PB1 and NB1 are turned off. This one-shot pulse generation circuit OG can be integrated in a compact manner if it is connected in common (through a buffer) to similar parts of other input / output circuits, and the level shift circuits LSU1-4 It can also be used to set the initial state when the power is turned on.
図22は、図18に示した入出力回路のレイアウトの一実施例を示した図である。 FIG. 22 is a diagram showing an embodiment of the layout of the input / output circuit shown in FIG.
図22に示すように、チップ端部2201に沿って、チップ端部辺に平行な方向に複数のI/Oパッド2202が配列されている。そして、チップ端部辺に垂直な方向に、図18中で説明した回路が配列されている。NMOSバッファ2203およびPMOSバッファ2204は、図18の出力バッファのMOSトランジスタNB1およびPB1であり、図のようにI/Oパッドのそばに配置される。さらに、チップの内部に向かって、図18で説明した静電破壊保護回路ESD1およびESD2(2205)、プルアップ回路(2206)、プリバッファ(2207)、レベルシフト回路(2208)、トライステート論理演算回路(2209)が順次配置されている。
As shown in FIG. 22, a plurality of I /
これらの各回路上には、隣接する回路ブロック間にまたがってチップ端部辺と平行な方向に、金属配線層第3層目および第4層目配線を用いて、電源配線が布線されている。2203上にはVssqおよびVddqが、2204上にもVssqおよびVddqが、2205上にはVssqが、2206上にはVddqが、2207上にはVssqが、2208上にはVddqが、2209上にはVssおよびVddがそれぞれ配線されている。 On each of these circuits, the power supply wiring is laid out in the direction parallel to the chip end side across the adjacent circuit blocks using the third and fourth metal wiring layers. Yes. Vssq and Vddq on 2203, Vssq and Vddq on 2204, Vssq on 2205, Vddq on 2206, Vssq on 2207, Vddq on 2208, Vddq on 2209 Vss and Vdd are respectively wired.
次に、本発明の半導体集積回路装置のように、複数の電源電圧を使用するチップに適用して好適な電源間保護素子の構成について説明する。本実施例の半導体集積回路装置は、特に3重ウエル構造を採用しているものであり、以下に3重ウエル構造のチップにおける、最も効率的な電源間保護素子の構成について説明する。 Next, a configuration of a protection element between power supplies that is suitable for a chip that uses a plurality of power supply voltages like the semiconductor integrated circuit device of the present invention will be described. The semiconductor integrated circuit device according to the present embodiment employs a triple well structure, and the configuration of the most efficient inter-power supply protection element in the triple well structure chip will be described below.
複数の電源電圧を使用するチップ、又は、同じ電源電圧でもその電源ノイズの大小に対応して電源を分離しているチップでは、電源ピンの種類が複数ある。このようなチップでは、静電気を逃がしやすくして静電耐圧を向上させるために、電源-GND間や異なる種類の電源間にMOSやダイオード等の素子を入れることが有効である。この場合、当然のことではあるが、通常使用状態のバイアス状態では順方向に電流が流れないように接続しておき、数百〜数千ボルトの静電気が入ってきたときだけ逆方向の電流を流して電荷を逃がす。 A chip that uses a plurality of power supply voltages, or a chip that separates the power supplies corresponding to the magnitude of the power supply noise even with the same power supply voltage, has a plurality of types of power supply pins. In such a chip, it is effective to insert an element such as a MOS or a diode between the power source and the GND or between different types of power sources in order to easily release static electricity and improve the electrostatic withstand voltage. In this case, as a matter of course, the connection is made so that current does not flow in the forward direction in the bias state in the normal use state, and the reverse current is applied only when several hundred to several thousand volts of static electricity enters. Flow away the charge.
ここで、3重ウエル構造のチップの場合、例えばダイオードを作る場合、P型基板とN型素子領域の間、N型素子領域とP型ウエルの間、P型ウエルとN型拡散層の間、N型ウエルとP型拡散層の間、と4通りの方法がある。この中で、最も面積が小さく寄生素子効果の少ないダイオードの構成方法は、それに接続する電源の種類によって異なる。 Here, in the case of a chip with a triple well structure, for example, when making a diode, between a P-type substrate and an N-type element region, between an N-type element region and a P-type well, and between a P-type well and an N-type diffusion layer. There are four methods between the N-type well and the P-type diffusion layer. Among these, the method of constructing the diode having the smallest area and the least parasitic element effect differs depending on the type of power supply connected thereto.
本発明の実施例においては、以下に、このような保護素子の最も効率的な構成を示す。 In the embodiments of the present invention, the most efficient configuration of such a protection element is shown below.
図23(a)は、Si基板がP型で、そこにVSSを給電する場合のチップにおいて、図23(b)のようなダイオード接続をする際に、最も効率的なダイオードの構成方法を示した例である。 FIG. 23 (a) shows the most efficient diode configuration method when a diode is connected as shown in FIG. 23 (b) in a chip in which the Si substrate is P-type and VSS is supplied thereto. This is an example.
図23(a)中、2301はSi基板(P型)、2302は素子領域(N型)、2303はN型ウエル、2304はP型ウエル、2305はN型拡散層、2306はP型拡散層、2307はP基板上に形成したP型ウエルとN型拡散層の間のダイオード、2308はN型素子領域(VDDQでバイアス)上に形成したN型ウエルとP型拡散層の間のダイオード、2308a はN型素子領域(VDDでバイアス)上に形成したN型ウエルとP型拡散層の間のダイオード、2309はN型素子領域上に形成したP型ウエルとN型拡散層の間のダイオード、2310はP基板上に形成したN型ウエルとP型拡散層の間のダイオードである。
In FIG. 23A, 2301 is a Si substrate (P type), 2302 is an element region (N type), 2303 is an N type well, 2304 is a P type well, 2305 is an N type diffusion layer, and 2306 is a P type diffusion layer. 2307 is a diode between the P-type well and the N-type diffusion layer formed on the P substrate, 2308 is a diode between the N-type well and the P-type diffusion layer formed on the N-type element region (biased by VDDQ),
Si基板がP型で、そこにVSSを給電するチップの場合、第一に、VSSに接続するダイオードは、基板と同じP型のウエルを用いて、N型素子領域無しで、直接P型基板上に形成するのが望ましい。これにより、このダイオードは最小の面積となり、寄生素子動作もなく、P型基板へのVSS給電も兼用することが出来る。 If the Si substrate is a P-type chip that feeds VSS, first, the diode connected to the VSS uses the same P-type well as the substrate, and directly without the N-type element region, the P-type substrate It is desirable to form on top. As a result, the diode has a minimum area, no parasitic element operation, and VSS power supply to the P-type substrate can also be used.
第二に、VDDQに接続するダイオードは、N型ウエルを用いて、N型素子領域上に形成するのが望ましい。これにより、このダイオードは最小の面積となり、寄生素子動作もなく、N型素子領域へのVDDQ給電も兼用することが出来る。 Second, the diode connected to VDDQ is preferably formed on the N-type element region using an N-type well. As a result, this diode has a minimum area, does not operate as a parasitic element, and can also be used for VDDQ feeding to the N-type element region.
第三に、上記2種類以外のダイオードは、N型ウエルを用いて、N型素子領域無しで、直接P型基板上に形成するのが望ましい。これにより、このダイオードは最小の面積となり、寄生素子動作もなくすことが出来る。 Third, it is desirable to form the diodes other than the above two types directly on the P-type substrate using the N-type well and without the N-type element region. As a result, the diode has a minimum area, and the parasitic element operation can be eliminated.
図24に本発明における電源間保護素子の別の例を示す。 FIG. 24 shows another example of the protection element between power sources in the present invention.
図24(a)は、Si基板がP型で、そこにVSSを給電する場合のチップにおいて、図24(b)のようなMOS接続をする際に、最も効率的なMOSの構成方法を示した例である。 FIG. 24 (a) shows the most efficient MOS configuration method when MOS connection is made as shown in FIG. 24 (b) in a chip in which the Si substrate is P-type and VSS is supplied thereto. This is an example.
図24(a)中、2401はSi基板(P型)、2402は素子分離領域(N型)、2403はN型ウエル、2404はP型ウエル、2405はN型拡散層、2406はP型拡散層、2411はゲート、2407はP基板上に形成したP型ウエル上のNチャネル型MOS、2408はN型素子領域(VDDQでバイアス)上に形成したN型ウエル上のPチャネル型MOS、2409はN型素子領域(VDDQでバイアス)上に形成したP型ウエル上のNチャネル型MOS、2410はP基板上に形成したN型ウエル上のPチャネル型MOSである。 In FIG. 24A, 2401 is a Si substrate (P type), 2402 is an element isolation region (N type), 2403 is an N type well, 2404 is a P type well, 2405 is an N type diffusion layer, and 2406 is a P type diffusion. 2411 is a gate, 2407 is an N channel type MOS on a P type well formed on a P substrate, 2408 is a P channel type MOS on an N type well formed on an N type element region (biased by VDDQ), 2409 Is an N channel type MOS on a P type well formed on an N type element region (biased by VDDQ), and 2410 is a P channel type MOS on an N type well formed on a P substrate.
Si基板がP型で、そこにVSSを給電するチップの場合、第一に、VSSに接続するNチャネル型MOSは、基板と同じP型のウエルであるから、N型素子領域無しで、直接P型基板上に形成するのが望ましい。これにより、このNチャネル型MOSは最小の面積となり、寄生素子動作もなく、P型基板へのVSS給電も兼用することが出来る。 If the Si substrate is a P-type chip that feeds VSS, first, the N-channel MOS connected to the VSS is the same P-type well as the substrate, so there is no N-type element region and It is desirable to form on a P-type substrate. As a result, the N-channel MOS has a minimum area, no parasitic element operation, and can also be used for VSS power supply to the P-type substrate.
第二に、VSSQに接続するNチャネル型MOSは、P型のウエルであるが、VDDQでバイアスされたN型素子領域上に形成するのが望ましい。これにより、このNチャネル型MOSのP型ウエルにVSSQを給電でき、VSSが給電されているP型基板と電気的に分離され、寄生素子動作もなくすことが出来る。 Second, the N-channel MOS connected to VSSQ is a P-type well, but is preferably formed on an N-type element region biased by VDDQ. As a result, VSSQ can be supplied to the P-type well of the N-channel MOS, and it can be electrically separated from the P-type substrate to which VSS is supplied, thereby eliminating the parasitic element operation.
第三に、上記2種類以外のNチャネル型MOSは、P型のウエルであるが、VDD又はVDDQでバイアスされたN型素子領域上に形成する。これにより、このNチャネル型MOSのP型ウエルにVSSQを給電でき、VSSが給電されているP型基板と電気的に分離され、寄生素子動作もなくすことが出来る。 Third, the N-channel MOS other than the above two types is a P-type well, but is formed on an N-type element region biased by VDD or VDDQ. As a result, VSSQ can be supplied to the P-type well of the N-channel MOS, and it can be electrically separated from the P-type substrate to which VSS is supplied, thereby eliminating the parasitic element operation.
100,101 薄酸化膜低しきい値PMOS
102,103 厚酸化膜高しきい値NMOS
200,300,301,302,303,400,401,402,403,306,500,501,502,503,504,505,312,314 厚酸化膜高しきい値PMOS
201,304,305,402,403,404,405,506,507,508,509,311 厚酸化膜高しきい値NMOS
331,512,313 インバータ回路
510,511,601,602 回路ブロック
522 ラッチ
603 レベルアップ回路群
604 レベルダウン回路群
PSC 電源スイッチ制御回路
VBCa,VBCb 基板バイアス制御回路
702a,702b 電源スイッチPMOS
100, 101 Thin oxide low threshold PMOS
102, 103 Thick oxide high threshold NMOS
200,300,301,302,303,400,401,402,403,306,500,501,502,503,504,505,312,314 Thick oxide high threshold PMOS
201, 304, 305, 402, 403, 404, 405, 506, 507, 508, 509, 311 Thick oxide high threshold NMOS
331, 512, 313 Inverter circuit
510, 511, 601, 602 circuit block
522 Latch
603 Level-up circuit group
604 Level down circuit group
PSC power switch control circuit
VBCa, VBCb Substrate bias control circuit
702a, 702b Power switch PMOS
Claims (6)
上記第1電源電圧よりも高い第2電源電圧で動作する第2回路ブロックと、
上記第1回路ブロックの出力をレベル変換して上記第2回路ブロックの入力に伝達するレベル変換回路とを有し、
上記レベル変換回路は、上記第1回路ブロックに上記第1電源電圧の供給が停止された場合に、上記レベル変換回路に流れる貫通電流経路を遮断する第1の手段と、上記レベル変換回路の出力を所定の電位に制御する第2の手段とを含み、
上記レベル変換回路は、上記第1回路ブロックから出力される互いに逆相の第1出力信号と第2出力信号とにそれぞれ応答する第1CMOS回路と第2CMOS回路とを含み、
上記レベル変換回路は、上記第2電源電圧と上記第1CMOS回路の電源電圧供給ノードとの間にソース・ドレイン経路が接続され上記第2CMOS回路の出力信号によりゲートが駆動される第1負荷MOSFETと、上記第2電源電圧と上記第2CMOS回路の電源電圧供給ノードとの間にソース・ドレイン経路が接続され上記第1CMOS回路の出力信号によりゲートが駆動される第2負荷MOSFETを含むことを特徴とする半導体集積回路装置。 A first circuit block operating at a first power supply voltage;
A second circuit block operating at a second power supply voltage higher than the first power supply voltage;
A level conversion circuit for level-converting the output of the first circuit block and transmitting it to the input of the second circuit block;
The level conversion circuit includes a first means for cutting off a through current path flowing through the level conversion circuit when the supply of the first power supply voltage to the first circuit block is stopped, and an output of the level conversion circuit only contains a second means for controlling the predetermined potential,
The level conversion circuit includes a first CMOS circuit and a second CMOS circuit respectively responsive to the first output signal and the second output signal having opposite phases output from the first circuit block,
The level conversion circuit includes a first load MOSFET having a source / drain path connected between the second power supply voltage and a power supply voltage supply node of the first CMOS circuit, and a gate driven by an output signal of the second CMOS circuit; And a second load MOSFET having a source / drain path connected between the second power supply voltage and a power supply voltage supply node of the second CMOS circuit, and a gate driven by an output signal of the first CMOS circuit. A semiconductor integrated circuit device.
上記第1回路ブロックに上記第1電源電圧が供給されている場合、上記第1回路ブロックを動作させないときにもサブスレッショルドリーク電流が流れることにより電力を消費する半導体集積回路装置。 In claim 1,
When the first power supply voltage is supplied to the first circuit block, a semiconductor integrated circuit device consumes power by flowing a subthreshold leakage current even when the first circuit block is not operated.
上記第1回路ブロックへの上記第1電源電圧の供給を停止させるスイッチを1チップ上に集積した半導体集積回路装置。 In claim 1,
A semiconductor integrated circuit device in which a switch for stopping the supply of the first power supply voltage to the first circuit block is integrated on one chip.
上記レベル変換回路は論理演算機能を有する半導体集積回路装置。 In claim 1,
The level conversion circuit is a semiconductor integrated circuit device having a logical operation function.
上記第1電源電圧よりも高い第2電源電圧で動作する第2回路ブロックと、
上記第1回路ブロックの出力をレベル変換して上記第2回路ブロックの入力に伝達するレベル変換回路とを有し、
上記レベル変換回路は、上記第2回路ブロックから出力される制御信号がゲートに入力される第1導電型MOSFETと第2導電型MOSFETとを含み、
上記第1回路ブロックに上記第1電源電圧の供給が停止された場合に、上記第1導電型MOSFETは上記レベル変換回路に流れる貫通電流経路を遮断するものであり、上記第2導電型MOSFETは上記レベル変換回路の出力を所定の電位に制御するものであり、
上記レベル変換回路は、上記第1回路ブロックから出力される互いに逆相の第1出力信号と第2出力信号とにそれぞれ応答する第1CMOS回路と第2CMOS回路とを含み、
上記レベル変換回路は、上記第2電源電圧と上記第1CMOS回路の電源電圧供給ノードとの間にソース・ドレイン経路が接続され上記第2CMOS回路の出力信号によりゲートが駆動される第1負荷MOSFETと、上記第2電源電圧と上記第2CMOS回路の電源電圧供給ノードとの間にソース・ドレイン経路が接続され上記第1CMOS回路の出力信号によりゲートが駆動される第2負荷MOSFETを含むことを特徴とする半導体集積回路装置。 A first circuit block operating at a first power supply voltage;
A second circuit block operating at a second power supply voltage higher than the first power supply voltage;
A level conversion circuit for level-converting the output of the first circuit block and transmitting it to the input of the second circuit block;
The level conversion circuit includes a first conductivity type MOSFET and a second conductivity type MOSFET in which a control signal output from the second circuit block is input to a gate,
When the supply of the first power supply voltage to the first circuit block is stopped, the first conductivity type MOSFET blocks a through current path flowing through the level conversion circuit, and the second conductivity type MOSFET The output of the level conversion circuit is controlled to a predetermined potential,
The level conversion circuit includes a first CMOS circuit and a second CMOS circuit respectively responsive to the first output signal and the second output signal having opposite phases output from the first circuit block,
The level conversion circuit includes a first load MOSFET having a source / drain path connected between the second power supply voltage and a power supply voltage supply node of the first CMOS circuit, and a gate driven by an output signal of the second CMOS circuit; And a second load MOSFET having a source / drain path connected between the second power supply voltage and a power supply voltage supply node of the second CMOS circuit, and a gate driven by an output signal of the first CMOS circuit. A semiconductor integrated circuit device.
上記第1CMOS回路と上記第2CMOS回路とは互いに相補な論理演算を行う半導体集積回路装置。 In claim 5,
A semiconductor integrated circuit device in which the first CMOS circuit and the second CMOS circuit perform complementary logical operations .
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