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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置に関し、特にMOSトランジスタ(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)で構成される半導体装置に関する。より特定的には、この発明は、MOSトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電圧が低減される半導体装置に関する。より特定的には、この発明は、MOS型出力回路において、プロセスパラメータのばらつきの影響を受けることなくMOSトランジスタのゲート絶縁膜の信頼性を保証しつつ安定に出力信号を生成するための構成に関する。より具体的には、この発明は、画像表示装置の表示素子選択信号を生成する回路の構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
MOSトランジスタ(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)を用いた回路は、消費電力が小さいという利点を有しており、集積回路などの用途において広く用いられている。
【0003】
MOSトランジスタにおいては、絶縁膜により基板領域から分離された制御電極(ゲート)に電圧を印加して、このMOSトランジスタの導通/非導通を制御する。このゲート直下の絶縁膜(ゲート絶縁膜)が絶縁破壊を生じると、ゲートと基板領域とが短絡して大電流が流れる。したがって、このゲート絶縁膜の耐圧特性を十分に保証する必要がある。特に、素子が微細化されると、一般に、このゲート絶縁膜の膜厚も薄くされ、そのゲートに印加される電圧の許容範囲を低くすることにより、ゲート絶縁膜の耐圧特性が一般に保証される。
【0004】
ゲート絶縁膜に印加される電圧が許容範囲内であっても、長期にわたってゲートに電圧が印加されると、ゲート絶縁膜に電圧ストレスが印加され、このストレスが累積されて、ゲート絶縁膜の破壊が生じる。このような現象は、ゲート絶縁膜の経時的絶縁破壊(TDDB)として知られている。このようなゲート絶縁膜の破壊を防止するために、ゲート絶縁膜に印加される電圧を低減する構成が、特許文献1(特開平11−149773)において示されている。
【0005】
図26は、上述の特許文献1に示されるCMOSインバータの構成を示す図である。図26において、CMOSインバータは、ソースが電源電圧VCCを受ける電源ノード900に結合され、かつそのゲートに入力信号IN2を受けるPチャネルMOSトランジスタPQ0と、そのソースが接地電圧VSSを受ける接地ノード902に接続されかつそのゲートに入力信号IN1を受けるNチャネルMOSトランジスタNQ0と、これらのMOSトランジスタPQ0およびNQ0のゲート絶縁膜に印加される電圧を緩和する電圧緩和回路905を含む。
【0006】
電圧緩和回路905は、MOSトランジスタPQ0と出力ノード910の間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VPを受けるPチャネルMOSトランジスタPQ1と、出力ノード910とMOSトランジスタNQ0の間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VNを受けるNチャネルMOSトランジスタNQ1を含む。
【0007】
バイアス電圧VPは、電源電圧VCCに基づいて生成され、バイアス電圧VNは、接地電圧VSSに基づいて生成される。出力ノード910から、出力信号OUT0が出力され、MOSトランジスタPQ0およびPQ1の接続ノード911から、出力信号OUT2が出力され、MOSトランジスタNQ1およびNQ0接続ノードから、出力信号OUT1が出力される。
【0008】
入力信号IN1は、接地電圧と電圧VN−VTNの間で変化し、入力信号IN2は、電源電圧VCCと電圧VP−VTPの間で変化する。電圧VTPおよびVTPは、それぞれ、NチャネルMOSトランジスタNQ0およびNQ1のしきい値電圧を示し、電圧VTPは、PチャネルMOSトランジスタPQ0およびPQ1のしきい値電圧を示す。入力信号IN1およびIN2の振幅を制限することにより、MOSトランジスタPQ0およびNQ0のゲート絶縁膜に印加される電圧を緩和する。
【0009】
図27は、この図26に示すバイアス電圧VPおよびVNの電源電圧依存性を示す図である。図27において、縦軸に、電圧を示し、横軸に電源電圧VCCの電圧レベルを示す。バイアス電圧VPは、電源電圧VCCから電圧V0だけ低い電圧レベルであり、電源電圧VCCとともに直線的に増加する。一方、バイアス電圧VNは、電源電圧VCCが電圧V0を超えると、この電圧V0に固定される。バイアス電圧VNは、電源電圧VCCが、電圧V0を超えるまで、電源電圧VCCとともに増大する。電圧V0は、例えば2Vであり、MOSトランジスタのしきい値電圧の絶対値は、1Vよりも低いため、この電圧V0は、2・VTNおよび2・|VTP|よりも高い電圧レベルである。
【0010】
図28は、ハイレベル信号出力時の入出力信号の電圧レベルを示す図である。図28に示すように、入力信号IN1が、接地電圧VSS(=0V)に設定され、入力信号IN2が、電圧VP+|VTP|に設定される。この状態においては、MOSトランジスタNQ0はゲートおよびソースが同一電圧レベルであり、非導通状態を維持する。出力信号OUT1は、MOSトランジスタNQ1のソースフォロワ動作により、電圧VN−VTNの電圧レベルに設定される。
【0011】
一方、MOSトランジスタPQ0は、ゲートに、入力信号IN2として、電圧VP+|VTP|を受ける。バイアス電圧VPは、VCC−V0であり、電圧V0は、2・|VTP|よりも高い電圧レベルである。したがって、入力信号IN2が、電圧VP+|VTP|の場合、MOSトランジスタPQ0が導通し、出力信号OUT2の電圧レベルは、電源電圧VCCレベルとなる。また、バイアス電圧VPは、電源電圧VCCよりも、2・|VTP|以上低いため、MOSトランジスタPQ1も導通し、出力信号OUT0も、電源電圧VCCレベルとなる。
【0012】
この図28に示す電圧印加条件下においては、MOSトランジスタPQ0のゲート絶縁膜に印加される電圧は、次式で表される。
【0013】
VCC−VP−|VTP|=V0−|VTP|≧|VTP|
MOSトランジスタPQ1においては、そのゲート絶縁膜に、電圧VCC−VP(=V0)の電圧が印加される。MOSトランジスタNQ1においては、そのゲート絶縁膜に、電圧VCC−VNが印加される。MOSトランジスタNQ0において、ゲート絶縁膜に、電圧VN−VTN≦V0−VTNが印加される。
【0014】
したがって、これらのMOSトランジスタPQ0、PQ1、NQ1およびNQ0のゲート絶縁膜には、電源電圧VCCよりも低い電圧が印加されるだけである。電源電圧が高い場合においても、確実にこれらのMOSトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電圧を低減することができ、ゲート絶縁膜の信頼性を保証することができる。
【0015】
図29は、ローレベル信号を出力する際の入出力信号の電圧レベルを示す図である。このローレベル信号出力時においては、入出力IN1は、電圧VN−VTN≧VTNに設定され、入力信号IN2が、電源電圧VCCレベルに設定される。この状態においては、MOSトランジスタPQ0はオフ状態であるため、出力信号OUT2は、MOSトランジスタPQ1のソースフォロア動作により、電圧VP+|VTP|の電圧レベルに維持される。
【0016】
一方、MOSトランジスタNQ0は、この入力信号IN1の電圧VN−VTNに従ってオン状態となり、出力信号OUT1を接地電圧VSS(=0V)に設定する。ここで、バイアス電圧VNは、2・VTNよりも高い電圧レベルにある。したがって、MOSトランジスタNQ1も、オン状態となり、出力信号OUT0は、接地電圧VSS(=0V)となる。
【0017】
この図29に示す電圧印加条件下においても、MOSトランジスタPQ0のゲート絶縁膜に印加される電圧は、電圧VCC−VP−|VTP|である。MOSトランジスタPQ1のゲート絶縁膜に印加される電圧は、最大VPとなる(出力信号OUT0は、接地電圧レベル)。MOSトランジスタNQ1においては、そのゲート絶縁膜に印加される電圧は、バイアス電圧VNに等しい。またMOSトランジスタNQ0においても、そのゲート絶縁膜に印加される電圧は、VN−VTNとなる。
【0018】
したがって、この場合においても、MOSトランジスタPQ0、PQ1、NQ1およびNQ0のゲート絶縁膜に印加される電圧は、電源電圧VCCよりも低くすることができる。
【0019】
出力信号OUT0は、電源電圧VCCと接地電圧の間で変化する大振幅の信号である。一方、出力信号OUT1は、接地電圧VSSと電圧VN−VTNの間で変化する小振幅信号であり、また出力信号OUT2も、電源電圧VCCと電圧VP+|VTP|の間で変化する小振幅の信号である。
【0020】
入力信号IN1およびIN2の電圧レベルを設定し、または出力信号OUT0−OUT2の電圧レベルを設定するためには、バイアス電圧VPおよびVNを安定に生成する必要がある。前述の特許文献1においては、このバイアス電圧VPおよびVNを、カレントミラー回路を利用して生成する構成を示している。
【0021】
図30は、前述の特許文献1に示されるバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。図30において、バイアス電圧発生回路は、電源線920と出力ノード924の間に直列に接続されるそれぞれが、ゲートおよびドレインが相互接続されるNチャネルMOSトランジスタNQT1およびNQT2と、出力ノード924と接地線922の間に接続されるNチャネルMOSトランジスタNQ3と、MOSトランジスタNQ3とカレントミラー回路を構成する、ゲートおよびドレインが相互接続されたNチャネルMOSトランジスタNQ4と、MOSトランジスタNQ4のドレインに接続される抵抗素子RZと、抵抗素子RZと電源線920の間に接続されかつそのゲートおよびドレインが相互接続されるPチャネルMOSトランジスタPQ3を含む。
【0022】
MOSトランジスタNQT1およびNQT2は、そのバックゲート(基板領域)がソースに接続され、基板効果のしきい値電圧に及ぼす影響を相殺している。
【0023】
このバイアス電圧発生回路は、さらに、電源線920に結合され、MOSトランジスタPQ3とカレントミラー回路を構成するPチャネルMOSトランジスタPQ4と、出力ノード926と接地線922の間に直列に接続されかつそれぞれが、ゲートおよびドレインが相互接続されるNチャネルMOSトランジスタNQT3およびNQT4を含む。これらのMOSトランジスタNQT3およびNQT4も、そのバックゲートがソースに接続され、基板効果がしきい値電圧に及ぼす影響を相殺している。
【0024】
出力ノード924からバイアス電圧VPが生成され、出力ノード926に、バイアス電圧VNが生成される。これらの電源線920と出力ノード924の間にデカップル容量CPが設けられ、また、出力ノード926と接地線922の間にデカップル容量CNが設けられる。
【0025】
MOSトランジスタNQT1−NQT4は、イオン注入などによりそのしきい値電圧が、電圧V0の1/2に設定される。これらのMOSトランジスタNQT1−NQT4の電流駆動力は、十分に大きくされる。
【0026】
MOSトランジスタPQ3およびNQ4のチャネル抵抗と抵抗素子RZの抵抗値により、MOSトランジスタPQ3およびNQ4と抵抗素子RZを流れる電流Irの大きさが決定される。MOSトランジスタNQ4およびNQ3がカレントミラー回路を構成しており、MOSトランジスタNQ4を流れる電流Irのミラー電流Ipが、MOSトランジスタNQ3に流れる。このミラー電流Ipは、MOSトランジスタNQT1およびNQT2が駆動可能な電流よりも十分小さな電流量であり、したがって、MOSトランジスタNQT1およびNQT2が、ダイオードモードで動作し、それぞれのしきい値電圧の電圧降下を生じさせる。今、MOSトランジスタNQT1−NQT4のしきい値電圧を、VTHであるとする。その場合、ノード924からのバイアス電圧VPは、電圧VCC−2・VTHの電圧レベルとなる。したがって、VTH=V0/2に設定することにより、先の図27に示すバイアス電圧VPの線形電圧特性が得られる。
【0027】
一方、MOSトランジスタPQ3およびPQ4がカレントミラー回路を構成しており、MOSトランジスタPQ3を流れる電流Irのミラー電流Inが、MOSトランジスタPQ4を介して流れる。このミラー電流Inは、MOSトランジスタNQT3およびNQT4の駆動可能な電流よりも十分小さいため、これらのMOSトランジスタNQT3およびNQT4が、導通時、しきい値電圧VTHの電圧降下を生じさせる。したがって、電源電圧VCCは、2・VTHよりも高い場合には、バイアス電圧VNは、2・VTHの電圧レベルとなり、電源電圧VCCが、この2・VTHよりも低い場合には、MOSトランジスタNQT3およびNQT4の少なくとも一方が非導通状態であり、バイアス電圧VNは、電源電圧VCCとともに変化する。これにより、先の図27に示す電源電圧依存性を有するバイアス電圧VNを生成することができる。
【0028】
また、上述のような出力回路を利用することにより、電源電圧VCCの電圧レベルが、高い場合においてもMOSトランジスタのゲート絶縁膜の信頼性を確保することが可能であり、また、電源電圧VCCをインターフェイス仕様に応じて広い範囲にわたって変化させても、安定に動作させることが可能である。
【0029】
また、特許文献4(特開平11−163715号公報)においては、前述の特許文献1と同様のバイアス電圧を利用して、ゲート絶縁膜の信頼性を保証するCMOS出力ドライブ回路が示されている。しかしながら、このバイアス電圧のしきい値電圧依存性が出力信号に及ぼす影響については、何らこの特許文献4においては考慮されていない。
【0030】
【特許文献1】
特開平11−149773号公報
【0031】
【特許文献2】
特開2000−155617
【0032】
【特許文献3】
特開2000−155620
【0033】
【特許文献4】
特開平11−163715号公報
【0034】
【発明が解決しようとする課題】
いま、バイアス電圧VPが、図30に示す回路を用いて生成され、次式(1)の条件を満たすとする。
【0035】
VP=VCC−2・VTH …(1)
次に、図28に示される電圧印加条件を考える。すなわち、MOSトランジスタPQ0のゲートへ与えられる入力信号INが、電圧VP+|VTP|の状態を考える。この場合、出力信号OUT0およびOUT2は、電源電圧VCCへ駆動される。出力信号OUT0およびOUT2が電源電圧VCCレベルへ上昇する場合の駆動速度は、MOSトランジスタPQ0電流駆動能力に依存する。MOSトランジスタPQ0の電流駆動能力は、MOSトランジスタPQ0のゲート−ソース間電圧に依存する。すなわち、MOSトランジスタPQ0を流れる電流I0は、次式で表わされる。
【0036】
I0∝(VGS0−VTP)…(2)
ここで、VGS0は、MOSトランジスタPQ0のゲート−ソース間電圧であり、次式(3)で表わされる。
【0037】
VGS0=VP+|VTP|−VCC …(3)
上式(1)で示されるバイアス電圧VPの値を、上式(3)に代入すると、次式(4)が得られる。
【0038】
VGS0=VCC−2・VTH+|VTP|−VCC
=−2・VTH+|VTP|…(4)
したがって、上式(4)を、上式(2)に代入すると、次式(5)が得られる。
【0039】
I0∝(−2・VTH+|VTP|−VTP)
∝(−2・VTH+2・|VTP|)…(5)
上式(5)から明らかなように、MOSトランジスタPQ0の電流駆動能力は、しきい値電圧VTPおよびVTHのばらつきの影響を受ける。したがって、製造パラメータのばらつきにより、しきい値電圧VTHおよびVTPがばらついた場合、このMOSトランジスタPQ0の電流駆動能力が、変動する。その出力信号OUT2の電位変化速度が、応じてばらつき、次段の回路の動作マージンを確保することができなくなる。
【0040】
回路を安定に動作させるためには、出力信号OUT0およびOUT2が安定化するまでのマージンを考慮する必要があり、従って、出力信号OUT2に対するタイミングマージンを十分に大きくとる必要があり、高速動作を行なうことができなくなるという問題が生じる。
【0041】
また、入力信号IN2が電源電圧VCCの場合、出力信号OUT2は、電圧VP+|VTP|の電圧レベルとなる。この場合、出力信号OUT2の電圧レベルは、次式(6)で表わされる。
【0042】
OUT2=VCC−2・VTH+|VTP|…(6)
したがって、この場合においても、出力信号OUT2の電圧レベルが、しきい値電圧VTHおよびVTPのばらつきの影響を受ける。この出力信号OUT2はの電源電圧VCCと電圧VCC−2・VTH+|VTP|の間で変化する小振幅信号である。したがって、このしきい値電圧VTHおよびVTPが、ばらついた場合、出力信号OUT2のハイレベルおよびローレベルを正確に識別することができなくなるという問題が生じる。
【0043】
特に、この図26に示すインバータが複数段縦続接続される場合、出力信号OUT1およびOUT2が、次段のインバータの入力信号IN1およびIN2として用いられる。この場合、次段のインバータにおいて、トランジスタPQ0を、完全に導通状態とすることができず、正確な回路動作を保証することができなくなる可能性がある。
【0044】
また、バイアス電圧VNについても、このバイアス電圧VNは、2・VTHであり、入力信号IN1は、接地電圧レベルの場合、出力信号OUT1の電圧レベルは、次式(7)で表わされる。
【0045】
OUT1=2・VTH−VTN…(7)
しきい値電圧VTHおよびVTNが等しい場合には、この出力信号OUT1は、ハイレベルが、VTH(=VTN)となり、その電圧レベルがしきい値電圧のばらつきの影響を受ける。
【0046】
また、入力信号IN1が電圧VN−VTNの場合、そのゲート−ソース間電圧は電圧VN−VTN=2・VTH−VTNである。したがって、この場合の、MOSトランジスタNQ0の駆動電流Inq0は、次式(8)で表わされる。
【0047】
Inq0∝(2・VTH−VTN−VTN)
∝(VTH−VTN)…(8)
したがって、この場合においても、しきい値電圧VTHおよびVTNが変動する場合、同様、出力信号OUT1を接地電圧レベルへ駆動する際の速度が異なり、先のPチャネルMOSトランジスタPQ0についての問題と同様の問題が、出力信号OUT1についても生じる。
【0048】
したがって、これらの出力信号OUT1およびOUT2が、しきい値電圧の影響を受けるため、同様、出力信号OUT0の駆動速度も、しきい値電圧のばらつきの影響を受ける。
【0049】
また、次段回路を正確に動作させることができなくなる問題が同様に生じる。
特に、この回路を、画像表示装置などにおいて適用する場合、MOSトランジスタは、TFT(薄膜トランジスタ)で構成される。薄膜トランジスタは、ガラス基板または樹脂層などの絶縁層上に形成された半導体層内に形成される。この薄膜トランジスタの場合、したがって、しきい値電圧のばらつきが、通常の、半導体基板表面に、形成されるMOSトランジスタに比べてそのしきい値電圧のばらつきが大きい。これは、薄膜トランジスタの場合、樹脂層またはガラス基板上に半導体層が形成され、この半導体層にソース、チャネルおよびドレイン領域が形成される。このため、半導体層の膜質の影響がしきい値電圧に対し大きく現われ、この膜質の制御が、通常の、半導体基板表面に形成されるMOSトランジスタに比べて困難なためである。薄膜トランジスタにおいては、しきい値電圧調整のためのチャネル領域への不純物注入および、しきい値電圧安定化のためのバックゲートバイアス電圧の印加は、一般に行なわれていない。
【0050】
また、このバイアス電圧VPおよびVNを発生するために、イオン注入などにより、バイアス電圧発生用のMOSトランジスタのしきい値電圧VTHを、出力回路のトランジスタのしきい値電圧VTPおよびVTNの絶対値と異ならせている。このため、バイアス電圧を生成するために、しきい値電圧調整のためのイオン注入などの工程が、必要がなり、製造工程数が増加し、製造コストが増加するという問題が生じる。
【0051】
また、動作環境および製造パラメータの変動の影響を受けることなく安定に一定の電圧レベルの出力電圧を生成する構成が、特許文献2において示されている。この特許文献2の構成においては、負帰還回路を用いて、内部電圧を生成する電流ドライブトランジスタのゲート電圧が、一定電圧レベルに維持される。この構成においては、出力電圧の電源電圧依存性を抑制することが現われている。ゲート絶縁膜の信頼性を保証する回路のバイアス電圧による出力電圧に対するしきい値電圧の影響は何ら考慮していない。
【0052】
また、ここで、動作環境に係らず一定の電圧レベルの記憶電圧を生成することを意図する構成が、特許文献3において示されている。この特許文献3においては、出力電圧の電源電圧依存性を抑制し、またソースフォロワトランジスタを利用して、出力電圧の温度依存性をなくすことを図っている。しかしながら、ゲート絶縁膜の信頼性を確保する回路におけるバイアス電圧のしきい値電圧依存性が出力信号に及ぼす影響などについては全く考慮していない。
【0053】
それゆえ、この発明の目的は、出力信号に対するMOSトランジスタのしきい値電圧の変動の影響を抑制することのできる半導体装置を提供することである。
【0054】
この発明の他の目的は、しきい値電圧がばらついても、安定に出力信号を生成することのできる半導体装置を提供することである。
【0055】
この発明のさらに他の目的は、出力信号に対するしきい値電圧の影響を抑制することのできる出力回路駆動のためのバイアス電圧を発生する回路を提供することである。
【0056】
この発明のさらに他の目的は、画像表示装置において駆動信号を生成するのに適した半導体装置を提供することである。
【0057】
この発明のさらに他の目的は、出力信号を安定に、MOSトランジスタのゲート絶縁膜の信頼性を損なうことなく生成することのできる半導体装置を提供することである。
【0058】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、第1および第2の電源ノードにそれぞれ与えられる第1および第2の電圧を動作電源電圧として受けて動作する機能回路を含む。この機能回路は、第1および第2の電源ノードの間に直列に接続される第1、第2、第3および第4の電界効果トランジスタを含む。第1および第2の電界効果トランジスタは、第3および第4の電界効果トランジスタと導電型が異なる。
【0059】
この発明に係る半導体装置は、さらに、第1および第2の電圧それぞれに基づいて電圧レベルの異なる第1および第2のバイアス電圧を発生して、それぞれ、第2および第3の電界効果トランジスタのゲートへ与えるバイアス電圧発生回路を含む。このバイアス電圧発生回路は、第1および第4の電界効果トランジスタの少なくとも一方のしきい値電圧の出力信号に対する影響を抑制するように、第1および第2のバイアス電圧の対応のバイアスを生成する。
【0060】
この発明の第1の観点においては、バイアス電圧発生回路は、第1の電圧を受ける第1のノードと第2のノードの間に直列に接続されかつ各々がダイオード接続された複数個の電界効果トランジスタと、この第2のノードと第1のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に接続され、第2のノードと出力ノードとの間に所定の電圧差を生じさせる電圧レベル変換素子とを含む。この電圧レベル変換素子は、抵抗素子を備える。
【0061】
この発明の第2の観点においては、バイアス電圧発生回路は、第2の電圧を受ける第1のノードと第2のノードの間に直列に接続されかつ各々がダイオード接続された複数個の電界効果トランジスタと、この第2のノードと第2のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に接続され、第2のノードと出力ノードとの間に所定の大きさの電圧差を生じさせる電圧レベル変換素子とを含む。この電圧レベル変換素子は、抵抗素子を備える。
【0066】
この抵抗素子に対して、好ましくは、一定の大きさの電流を駆動する定電流回路が設けられる。
【0067】
この発明の第3の観点においては、バイアス電圧発生回路は、第1の電圧を受けるノードと第1のバイアス電圧の出力する出力ノードとの間に直列に接続される各々がダイオード接続され、かつ各々が第2のトランジスタと同一導電型の複数の電界効果トランジスタおよび抵抗素子の直列体と、出力ノードと第2の電圧を受けるノードとの間に結合される一定の大きさの電流を駆動する定電流源とを含む。
【0068】
この発明の第4の観点においては、バイアス電圧発生回路は、第2の電圧を受けるノードと第2のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に直列に接続され、各々がダイオード接続されかつ各々が第3のトランジスタと同一導電型の複数の電界効果トランジスタおよび抵抗素子の直列体と、出力ノードと第1の電圧を受けるノードとの間に結合されて一定の大きさの電流を駆動する定電流源とを含む。
【0069】
この発明の第5の観点においては、バイアス電圧発生回路は、第1の電圧を受けるノードと第1のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に直列に接続される各々がダイオード接続された複数の電界効果トランジスタおよび抵抗素子の直列体と、出力ノードと第2の電圧を受けるノードとの間に結合される一定の大きさの電流を駆動する電流源トランジスタと、第1の電圧を受ける内部電源ノードと第1の内部ノードとの間に接続される第1の抵抗素子と、この第1の抵抗素子と電流源トランジスタのゲートとの間に接続されかつ第1の内部ノードに接続されるゲートを有する電流源トランジスタと同一導電型の第1の基準トランジスタと、内部電源ノードと第2の内部ノードとの間に接続されかつそのゲートが第1の内部ノードに接続される電流源トランジスタと同一導電型の第2の基準トランジスタと、電流源トランジスタのゲートと第2の電圧を受けるノードとの間に接続されかつそのゲートが第2の内部ノードに接続される、電流源トランジスタと同一導電型を有する第3の基準トランジスタと、第2の内部ノードと第2の電圧を受けるノードとの間に接続される第2の抵抗素子を含む。
【0070】
この発明の第6の観点においては、バイアス電圧発生回路は、第2の電圧を受けるノードと第2のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に直列に接続される、各々がダイオード接続された複数の電界効果トランジスタおよび抵抗素子の直列体と、出力ノードと第1の電圧を受けるノードとの間に結合されて、一定の大きさの電流を駆動する電流源トランジスタと、第2の電圧を受ける内部電源ノードと第1の内部ノードとの間に接続される第1の抵抗素子と、この第1の抵抗素子と電流源トランジスタのゲートとの間に接続されかつ第1の内部ノードに接続されるゲートを有する、電流源トランジスタと同一導電型の第1の基準トランジスタと、内部電源ノードと第2の内部ノードとの間に接続されかつそのゲートが第1の内部ノードに接続される、電流源トランジスタと同一導電型の第2の基準トランジスタと、電流源トランジスタのゲートと第2の電圧を受けるノードとの間に接続されかつそのゲートが第2の内部ノードに接続される、電流源トランジスタと同一導電型の第3の基準トランジスタと、第2の内部ノードと第2の電圧を受けるノードとの間に接続される第2の抵抗素子とを含む。
【0071】
この発明にかかる半導体装置は、第7の観点において、さらに、相補信号対を差動的に増幅して相補出力信号を生成する第1の増幅回路と、この第1の増幅回路を出力する相補出力信号をさらに差動的に増幅して、第1および第4のトランジスタのゲートへ与えられる互いに論理レベルが等しくかつ電圧レベルの異なる第1および第2の駆動信号を生成する第2の増幅回路と、この機能回路の出力信号に従って駆動される画像表示素子とを備える。この機能回路の出力信号は、第2および第3の電界効果トランジスタの接続点から出力される。
【0072】
好ましくは、第1の増幅回路は、相補信号対を差動的に増幅する第1の差動段と、この第1の差動段の出力信号をラッチする第1のラッチ段と、これら第1の差動段と第1のラッチ段との間に接続されて、第1の差動段と第1のラッチ段との間で転送される信号の振幅を制限する第1の振幅制限段を含む。第2の増幅回路は、第1のラッチ段のラッチ信号を差動的に増幅する第2の差動段と、この第2の差動段の出力信号をラッチする第2のラッチ段と、第2の差動段と第2のラッチ段との間に接続されて、第2の差動段と第2のラッチ段との間で転送される信号の振幅を制限する第2の振幅制限段を含む。第2のラッチ段のラッチ信号と第2の差動段の出力信号とがそれぞれ、第1および第4の電界効果トランジスタのゲートへ与えられる。
【0073】
好ましくは、画像表示素子は、液晶表示素子およびエレクトロルミネッセンス発光素子のいずれかで構成される。
【0074】
また各電界効果トランジスタは、薄膜トランジスタである。
また、好ましくは、第1の電圧は、第2の電圧よりも高い電圧レベルに設定される。
【0075】
これに代えて、第2の電圧は、第1の電圧よりも高い電圧レベルに設定される。
【0078】
バイアス電圧として、第1および第4の電界効果トランジスタのしきい値電圧の出力信号に対応する影響を抑制するような電圧を生成して利用することにより、たとえしきい値電圧が製造パラメータのばらつきによりばらついても、安定に、しきい値電圧のばらつきの影響を抑制して出力信号を生成することができる。
【0079】
また、バイアス電圧として、第2および第3のトランジスタのしきい値電圧と同じ大きさのしきい値電圧成分を含む電圧を生成することにより、しきい値電圧成分により、第1または第4のトランジスタのしきい値電圧のばらつきの影響を相殺することができ、安定に出力信号を生成することができる。
【0080】
また、抵抗素子とMOSトランジスタとで構成される回路により電流源トランジスタを駆動することにより、この電流源トランジスタのゲート電圧を電源電圧と独立の電圧レベルに設定でき、また電流源トランジスタのゲートへしきい値電圧の影響を相殺した電圧を印加することができ、安定に定電流を生成することができる。したがって、この回路をバイアス電圧発生回路に適用することにより、安定にしきい値電圧の影響が除去するためのバイアス電圧を、電源電圧に依存しない定電流に基づいて生成することができる。応じて、バイアス電圧の電源電圧依存性をなくすことができる。
【0081】
特に、この半導体装置を、画像表示装置に適用することにより、しきい値電圧のばらつきが大きい薄膜トランジスタを用いて回路が構成される場合においても、安定にバイアス電圧を生成して応じて出力信号を生成して画像表示素子を駆動することができる。
【0082】
【発明の実施の形態】
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。図1においては、バイアス電圧VPを発生するバイアス電圧発生回路BPKの構成を示す。このバイアス電圧発生回路BPKが発生するバイアス電圧VPは、機能回路1に含まれるPチャネルMOSトランジスタPQ1のゲートへ与えられる。
【0083】
この機能回路1は、先の図26に示す構成と同様、入力信号IN2をゲートに受けるPチャネルMOSトランジスタPQ0と、バイアス電圧VNをゲートに受けるNチャネルMOSトランジスタNQ1と、入力信号IN1をゲートに受けるNチャネルMOSトランジスタNQ0を含む。
【0084】
MOSトランジスタPQ1とMOSトランジスタNQ1の接続点から出力信号OUT0が出力される。
【0085】
バイアス電圧発生回路BPKは、電源ノードとバイアス出力ノード106の間に直列に接続されるPチャネルMOSトランジスタ101および102と抵抗素子103を含む。PチャネルMOSトランジスタ101および102は、それぞれ、ゲートが、ノード104および105にそれぞれ接続される。抵抗素子103は、抵抗値rを有する。これらのノード104および105は、MOSトランジスタ101および102のドレインノードとして機能する。
【0086】
バイアス電圧発生回路BPKは、さらに、出力ノード106と接地ノードの間に接続される定電流源100と、電源ノードと出力ノード106の間に接続されるデカップル容量107を含む。この定電流源100は、接地ノードではなく、他の負電圧などの一定の電圧を供給する定電圧ノードに結合されてもよい。デカップル容量107は、容量Cを有し、容量結合などに起因するバイアス電圧VPのノイズ成分を除去し、バイアス電圧VPの電圧レベルを安定化する。
【0087】
定電流源100の駆動電流が、電流Iであり、MOSトランジスタ101および102の駆動可能な電流よりも十分小さな電流レベルであるとする。この場合、MOSトランジスタ101および102がダイオードモードで動作し、それぞれしきい値電圧VTPの絶対値の電圧降下を生じさせる。ここで、MOSトランジスタ101および102のしきい値電圧VTPは、機能回路1のPチャネルMOSトランジスタPQ1およびPQ0の有するしきい値電圧と同じであるとする。すなわち、このバイアス電圧発生回路BPKは、出力回路1と同一製造工程で作成され、バイアス電圧を生成するしきい値電圧を設定するための特別のイオン注入などは行われない。
【0088】
この条件下においては、バイアス電圧VPは、次式(9)で表わされる。
VP=VCC−2・|VTP|−r・I…(9)
今、入力信号IN2が、電圧VP+|VTP|の電圧レベルであり、MOSトランジスタPQ0のゲート−ソース間に、電圧が印加される場合を考える。この場合は、MOSトランジスタPQのゲート−ソース間に印加する電圧VGS0は、先の式(3)から次式(10)により示される。
【0089】
VGS0=VP+|VTP|−VCC
=VCC−2・|VTP|−r・I+|VTP|−VCC
=−|VTP|−r・I…(10)
この場合、MOSトランジスタPQ0の駆動電流I0は、先の式(2)から、次式で示される。
【0090】
I0∝(−|VTP|−r・I−VTP)
しきい値電圧VTPは負の値であるため、上述の式において、しきい値電圧成分が相殺され、電流I0は、次式(11)で表わされる。
【0091】
I0∝(−r・I)…(11)
上式(11)に示されるように、MOSトランジスタPQ0の駆動電流は、抵抗素子103の抵抗値rと定電流源100の駆動電流Iにより決定され、しきい値電圧VTPおよびVTNと独立の電流である。したがって、MOSトランジスタPQ0の駆動電流は、しきい値電圧VTPおよびVTNのばらつきの影響を受けないため、これらのしきい値電圧VTPおよびVTNのばらつきに起因する回路動作マージンの減少を防止することができる。
【0092】
抵抗素子103は、MOS半導体回路装置の場合には、MOSトランジスタのチャネル抵抗、不純物拡散層またはポリシリコンなどの配線層を用いて形成することができる。また、画像表示装置に集積化される駆動回路に用いられる場合、MOSトランジスタは、薄膜トランジスタで構成される。この場合、抵抗素子103は、薄膜抵抗またはゲート電極材料を用いて形成してもよい。
【0093】
また、電源ノードには電源電圧VCCが、与えられる。しかしながら、このバイアス電圧発生回路BPKが、安定に動作する電圧レベルであればよく、電源電圧VCCに代えて、高電圧が用いられてもよい。これは、接地電圧VSSについても同様である。
【0094】
以上のように、この発明の実施の形態1に従えば、バイアス電圧VPに、この機能回路1に含まれる出力ドライブトランジスタのしきい値電圧成分を含むように構成しており、出力ドライブトランジスタの駆動電流量を、しきい値電圧と同一な電流量に設定することができ、しきい値電圧のばらつきを受けることなく安定に出力信号を駆動することができる。
【0095】
[実施の形態2]
図2は、この発明の実施の形態2に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。この図2に示すバイアス電圧発生回路BPKは、図1に示す定電流源100として、カレントミラー回路が利用される。
【0096】
すなわち、この図2に示すバイアス電圧回路BPKは、電源電圧VCCを受ける電源ノードとノード99の間に接続される抵抗素子109と、ノード99と接地電圧VSSを受ける接地ノードの間に接続されかつそのゲートがノード99に接続されるNチャネルMOSトランジスタ108と、出力ノード106と接地ノードの間に接続されかつそのゲートがノード99に接続されるNチャネルMOSトランジスタ110を含む。図2に示すバイアス電圧発生回路BPKの他の構成は、図1に示すバイアス電圧発生回路BPKの構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
【0097】
抵抗素子109は、抵抗値Rを有する。この抵抗素子109とMOSトランジスタ108のチャネル抵抗(オン抵抗)により、これらの抵抗素子109およびMOSトランジスタ108を流れる電流の大きさが決定される。MOSトランジスタ110および108は、カレントミラー回路を構成しており、MOSトランジスタ108を流れる電流のミラー電流が、MOSトランジスタ110を介して流れる。
【0098】
抵抗素子109の抵抗値Rが、MOSトランジスタ108のチャネル抵抗よりも十分大きい場合、このMOSトランジスタ108を介して流れる電流は、抵抗素子109の抵抗値Rにより決定される。MOSトランジスタ110および108のサイズ(チャネル幅とチャネル長との比)が同じであり、ミラー比が1の場合、このMOSトランジスタ108を介して流れる電流と同じ大きさの電流がMOSトランジスタ110を介して流れる。したがって、MOSトランジスタ110および108のサイズ(チャネル幅とチャネル長の比)を同じとして、ミラー比を1に設定した場合、MOSトランジスタ108および110において、同じゲート−ソース間電圧が生成される。
【0099】
バイアス電圧VPに含まれる成分r・Iにおいて、電流Iは、VCC/Rで近似することができるとする。この場合、抵抗素子103および109を、同一抵抗材料で形成し、同じ抵抗値のばらつきが、抵抗素子109および103に現われるように構成する。バイアス電圧VPにおける抵抗素子103の抵抗値rのばらつきの影響を、抵抗109の抵抗値のバラツキにより、相殺することができ、安定に所望の電圧レベルのバイアス電圧VPを生成することができる。
【0100】
以上のように、この発明の実施の形態2に従えば、カレントミラー回路を用い、定電流を生成し、この定電流成分において、バイアス電圧に含まれる抵抗成分を操作する成分を含ませることにより、安定に、製造時において抵抗素子の抵抗ばらつきの影響を受けることなく一定の電圧レベルのバイアス電圧VPを生成することができる。
【0101】
[実施の形態3]
図3は、この発明の実施の形態3に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。この図3に示すバイアス電圧発生回路BPKは、図2に示すバイアス電圧発生回路BPKの構成と、出力ノード106に接続されるNチャネルMOSトランジスタ110のゲート電圧を生成する回路の構成が異なる。
【0102】
すなわち、この図3に示すバイアス電圧発生回路BPKにおいて、ゲート電圧発生回路は、電源ノードとノード114の間に接続される抵抗素子111と、ノード114とノード115の間に接続されかつそのゲートがノード114に接続されるNチャネルMOSトランジスタ112と、ノード115と接地ノードの間に接続されかつそのゲートがノード118に接続されるNチャネルMOSトランジスタ113と、電源ノードとノード118の間に接続されかつそのゲートがノード114に接続されるNチャネルMOSトランジスタ116と、ノード118と接地ノードの間に接続される抵抗素子117を含む。
【0103】
抵抗素子111および117は、それぞれ、抵抗値R1およびR2を有する。抵抗素子111および117の有する抵抗値R1およびR2は、MOSトランジスタ112、113および116のチャネル抵抗(オン抵抗)よりも十分大きな抵抗値である。
【0104】
MOSトランジスタ110のゲートが、ノード115に接続される。
この図3に示すバイアス電圧発生回路の他の構成は、図2に示すバイアス電圧発生回路の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
【0105】
このバイアス電圧発生回路BPKの構成において、抵抗素子111の抵抗値R1が、MOSトランジスタ112のチャネル抵抗(オン抵抗)よりも十分大きな値に設定されており、MOSトランジスタ112はダイオードモードで動作し、導通時、そのしきい値電圧VTNの電圧降下を生じさせる。
【0106】
MOSトランジスタ113は、ノード118の電圧に応じた電流を、接地ノードへ放電し、ノード115の電圧レベルを適当な値に設定する。
【0107】
ノード114へは、抵抗素子111の抵抗値R1により、電源電圧VCCよりも低い電圧が伝達される。このノード114の電圧レベルは、電源電圧VCCに対し依存性を有する。MOSトランジスタ116は、そのゲート電圧が、ドレイン電圧(VCC)よりも低いため、また、そのオン抵抗が、抵抗素子117の抵抗値R2よりも十分小さいため、ソースフォロワモードで動作する。したがってノード114の電圧レベルが低下したときには、このMOSトランジスタ116のソースフォロワモード動作により、ノード118へ、ノード114の電圧上昇が伝達される。応じて、MOSトランジスタ113のコンダクタンスが大きくなり、ノード115の電圧レベルを低下させる。これにより、ノード114の電圧レベルが応じて低下する。
【0108】
逆に、ノード114の電圧レベルが低下したとき、MOSトランジスタ116のソースフォロワモード動作により、ノード118の電圧レベルが低下し、応じてMOSトランジスタ113のコンダクタンスが小さくなり、ノード25の電圧レベルが上昇する。応じてノード114の電圧レベルが上昇する。
【0109】
したがって、これらのMOSトランジスタ112および116のサイズを適当に選択することにより、ノード115の電圧レベルを、電源電圧VCCの変動にかかわらず、一定の電圧レベルに保持することができる。
【0110】
ノード115の電圧レベルが、電源電圧VCCに依存しないため、MOSトランジスタ110は、この電源電圧VCCに依存しない電流を駆動することができる。応じて、機能回路1において、駆動電流を、電源電圧VCCに依存しない一定の電流に設定することができ、安定に機能回路1を動作させることができる。
【0111】
このMOSトランジスタ110のゲートへ、電源電圧VCCに依存しない一定の電圧を与えて、MOSトランジスタ110を介して定電流を駆動する構成は、一般に、バイアス電圧発生回路ではなく、一般的な半導体装置に適用することができる。
【0112】
[実施の形態4]
図4は、この発明の実施の形態4に従う半導体装置の構成を概略的に示す図である。この図4に示す半導体装置の構成においては、電圧V3を一方動作電源電圧として受ける機能回路1Aの動作電流を、MOSトランジスタ110の駆動電流I3により決定する。この機能回路1Aは、内部信号を処理して、出力信号VOUTを生成する。動作電流が、MOSトランジスタ110により決定される回路であれば、この機能回路1Aとしては、任意の半導体回路を適用することができる。例えば、この機能回路1Aは、電流源により動作電流が決定される差動増幅回路である。
【0113】
MOSトランジスタ110のゲートノード115を駆動するために、図3に示すゲート電圧発生回路と同様の構成が用いられる。図4に示すノード115にゲート電圧を発生する回路において、図3に示すゲート電圧発生回路と対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
【0114】
この図4に示すゲート電圧発生回路の構成においては、電源電圧VCCおよび接地電圧VSSに代えて、電圧V1およびV2がそれぞれ用いられる。この電圧V1は、機能回路1Aの一方動作電源電圧V3と同じ電圧レベルであってもよい。また、電圧V2は、接地電圧VSSであってもよい。ゲートノード115に、一定の電圧を生成することのできる電圧レベルであれば、この電圧V2の電圧レベルを任意の値に設定することができ、したがって、電圧V2は、負電圧であってもよい。また、電圧V1は、高電圧であってもよい。
【0115】
抵抗素子117、および111は、MOS集積回路装置の場合には、MOSトランジスタのチャネル抵抗、不純物拡散層の抵抗、およびポリシリコンなどの配線層を抵抗として利用することができる。また、この機能回路1Aが、画像表示装置に集積化されており、その構成要素として薄膜トランジスタ(TFT)が用いられる場合には、抵抗素子111および117としては、薄膜抵抗またはTFTのゲート電極材料が用いられてもよい。
【0116】
この図4に示すゲート電圧発生回路において、MOSトランジスタ112および113を流れる電流I2は、次式(12)で表わされる。
【0117】
I2=β112・(V114−V115−VTN)2/2
=β113・(V118−V2−VTN)2/2 …(12)
電圧V114、V115およびV118は、それぞれ、ノード114、115および118の電圧を示す。またβ112およびβ113は、それぞれ、MOSトランジスタ112および113のサイズおよび構成材料により決定される定数である。
【0118】
MOSトランジスタ112および113が、同一サイズを有する場合、これらのMOSトランジスタ112および113は、同一材料で構成されているため、係数β112およびβ113は互いに等しくなる。したがって、上式(12)から、次式(13)が得られる。
【0119】
V114−V115−VTN=V118−V2−VTN
V114−V115=V118−V2
V114−V118=V115−V2 …(13)
この式(13)は、MOSトランジスタ116および110のゲート−ソース間電圧が、同一電圧レベルであることを示している。MOSトランジスタ116が飽和領域で動作している。したがって、MOSトランジスタ110も、飽和領域で動作させることにより、このMOSトランジスタ116を介して流れる電流I1のミラー電流を、MOSトランジスタ110に流すことができる。MOSトランジスタ116および110が、サイズが同じ(チャネル長とチャネル幅の比が同じ)場合には、MOSトランジスタ110を介して流れる電流I3が、MOSトランジスタ116を介して流れる電流I1と同じ電流となる。
【0120】
なお、飽和領域で動作させる場合、MOSトランジスタ116において、ゲート−ソース間電圧V114−V118としきい値電圧VTNの差が、そのドレイン−ソース間電圧V1−V118よりも小さいという条件が要求される。
【0121】
これは、MOSトランジスタ110についても同様である。
したがって、この図4に示す回路構成を利用することにより、機能回路1Aが、定電流源を用いるたとえばカレントミラー型差動増幅回路などの場合、安定に差動増幅動作を行なうことができる。
【0122】
電圧V2およびV1を、適当な電圧レベルに設定することにより、この回路のMOSトランジスタ110、113および116を、確実に、飽和領域で動作させることができる。
【0123】
以上のように、この発明の実施の形態4に従えば、電源電圧に依存しない電圧をMOSトランジスタの負帰還を利用して生成し、この電圧を用いて定電流を発生しており、電源電圧の変動の影響を受けることなく、安定に機能回路を動作させることができる。
【0124】
[実施の形態5]
図5は、この発明の実施の形態5に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。この図5に示すバイアス電圧発生回路BPKは、電源電圧VCCを受ける電源ノードとバイアス電圧VPを出力する出力ノード106の間に、直列に、ダイオード接続されたPチャネルMOSトランジスタ101、102および120と、出力ノード106と接地電圧VSSを受ける接地ノードの間に接続される抵抗素子122と、電源ノードと出力ノード106の間に接続されるデカップル容量107を含む。
【0125】
抵抗素子122の抵抗値Rは、MOSトランジスタ101、102および120のオン抵抗よりも十分大きいため、これらのMOSトランジスタ101、102および120が、ダイオードモードで動作し、それぞれ導通時、しきい値電圧VTPの絶対値の電圧降下を生じさせる。
【0126】
したがって、この図5に示すバイアス電圧発生回路の場合、バイアス電圧VPは、次式(14)で表わされる。
【0127】
VP=VCC−3・|VTP| …(14)
この場合、機能回路1において、MOSトランジスタPQ0の入力信号IN2が、電圧VP+|VTP|の場合、ゲート−ソース間電圧VGS0は、次式(15)で表わされる。
【0128】
VGS0=VP+|VTP|−VCC
=−2・|VTP| …(15)
したがって、この場合機能回路1のMOSトランジスタPQ0の駆動電流I0は、次式(16)で表わされる。
【0129】
I∝(−|VTP|) …(16)
したがって、上式(16)に示されるように、機能回路1において、MOSトランジスタPQ0の駆動電流は、しきい値電圧VTPのばらつきの影響を受ける。しかしながら、定電流源を利用する構成に比べて、回路構成が簡略化され、また電流が流れる経路も少なく、また抵抗素子122を介して流れる電流も小さいため、消費電力を十分に低減する効果が得られる。したがって、比較的、しきい値電圧VTPのばらつきが小さいMOS半導体回路装置に対して、この図5に示すバイアス電圧発生回路10を適用することにより、低消費電流で、バイアス電圧VPを生成することができる。この構成の場合、電源電圧VCCの電圧が高い場合においても機能回路1におけるMOSトランジスタのゲート絶縁膜の信頼性を確保することができる。
【0130】
なお、この図5に示すバイアス電圧発生回路10において、PチャネルMOSトランジスタ120に代えて、ダイオード接続されたNチャネルMOSトランジスタが用いられてもよく、またダイオード素子が用いられてもよい。この場合には、それぞれ、VTNまたはVPNに比例した、駆動電流I0が得られる。なお、VTNは、ダイオード接続されたNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧を示し、VPNは、ダイオード素子の順方向降下電圧を示す。
【0131】
[実施の形態6]
図6は、この発明の実施の形態6に従うバイアス電圧発生回路BNKの構成を示す図である。この図6に示すバイアス電圧発生回路BNKは、機能回路1に含まれるNチャネルMOSトランジスタNQ1のゲートへ与えられるバイアス電圧VNを生成する。
【0132】
図6において、バイアス電圧発生回路BNKは、電源電圧VCCを受ける電源ノードとバイアス電圧VNを出力する出力ノード206の間に接続される定電流源200と、定電流源206とノード205の間に接続される抵抗素子203と、ノード205と接地電圧VSSを受ける接地ノードの間に直列に接続されるそれぞれダイオード接続されたNチャネルMOSトランジスタ202および201を含む。
【0133】
定電流源200は、電流Iを供給し、抵抗素子203は、抵抗値rを有する。出力ノード206と接地ノードの間には、このバイアス電圧VNの容量結合などに起因するノイズを抑制するためのデカップル容量199が設けられる。このデカップル容量199は、十分大きな容量値Cを有する。
【0134】
この図6に示すバイアス電圧発生回路BNKにおいては、抵抗素子203が、電圧r・Iの電圧降下を生じさせる。MOSトランジスタ202および201は、それぞれゲートが、ノード205および204に接続され、ダイオードモードで動作し、それぞれ、導通時、しきい値電圧VTNの電圧降下を生じさせる。
【0135】
したがって、出力ノード206からのバイアス電圧VNは、次式(17)で表わされる。
【0136】
VN=2・VTN+r・I …(17)
入力信号IN1が、電圧VN−VTNの場合、NチャネルMOSトランジスタNQ0のゲート−ソース間電圧VGSN0は、次式(18)で表わされる。
【0137】
VGSN0=VN−VTN
=r・I+VTN …(18)
したがって、このMOSトランジスタNQ0が駆動する電流Inは、次式(19)で示される。
【0138】
In∝(r・I+VTN−VTN)
∝(r・I) …(19)
したがって、MOSトランジスタNQ0により、出力信号が接地電圧レベルへ駆動される場合、一定の大きさの電流で出力ノードを駆動することができる。
【0139】
先の特許文献1においては、イオン注入により、しきい値電圧を高くして、しきい値電圧VTHおよびしきい値電圧VTNの差を利用して、MOSトランジスタNQ0およびNQ1のゲート電位を設定している。しかしながら、このようなしきい値電圧VTHを生成する回路をバイアス電圧発生のために用いる場合、製造工程をしきい値電圧を変更するために増加させる必要がある。したがって、低コストが要求される場合、このような複数種類のしきい値電圧を生成するのがコストの観点から行なえない場合がある。したがって、NチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧を、すべて同一とすることにより、安定に、出力信号を接地電圧レベルに駆動することができる。
【0140】
以上のように、この発明の実施の形態6に従えば、バイアス電圧VNとして、出力部の機能回路のMOSトランジスタと同じ大きさのしきい値電圧を生成するトランジスタを用いてバイアス電圧VNを生成しており、製造工程を増加させることなく、安定に、出力信号を駆動することのできるバイアス電圧VNを生成することができる。
【0141】
[実施の形態7]
図7は、この発明の実施の形態7に従うバイアス電圧発生回路BNKの構成を示す図である。この図7に示すバイアス電圧発生回路BNKにおいては、図6に示す定電流源200として、カレントミラー回路が用いられる。
【0142】
すなわち、バイアス電圧発生回路BNKは、電源ノードとノード206の間に接続されかつそのゲートがノード210に接続されるPチャネルMOSトランジスタ207と、電源ノードとノード210の間に接続されかつそのゲートがノード210に接続されるPチャネルMOSトランジスタ208と、ノード210と接地ノードの間に接続される抵抗素子209を含む。抵抗素子210は、抵抗値Rを有する。
【0143】
この図7に示すバイアス電圧発生回路BNKの他の構成は、図6に示すバイアス電圧発生回路の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
【0144】
この図7に示すバイアス電圧発生回路BNKの構成においては、MOSトランジスタ208のチャネルコンダクタンス(オン抵抗)と抵抗素子209の抵抗値Rにより決定される電流が、MOSトランジスタ208および抵抗素子209を介して流れる。このMOSトランジスタ208を介して流れる電流のミラー電流が、MOSトランジスタ207を介して出力ノード206へ供給される。したがって、電流Iは、次式(20)で表わされる。
【0145】
I=M・VCC/(R+Rcha) …(20)
ここで、Rchaは、MOSトランジスタ208のチャネル抵抗である。またMは、MOSトランジスタ207および208で構成されるカレントミラー回路のミラー係数を示す。したがって、バイアス電圧VNは、次式(21)で表わされる。
【0146】
VN=M・VCC・r/(R+Rcha)+2・VTN …(21)
したがって、入力信号IN1が電圧VN−VTNのときの機能回路1に含まれるMOSトランジスタNQ0の駆動電流Inq0は、次式(22)で表わされる。
【0147】
Inq0∝M・r・VCC/(Rcha+R) …(22)
ミラー係数Mが1であり、またチャネル抵抗Rchaが、抵抗素子209の抵抗値Rに比べて無視することができる場合、この抵抗素子209および203の抵抗値rおよびRにおける、製造パラメータのばらつきに起因する抵抗値のばらつきを相殺することができる。
【0148】
したがって、この場合においても、安定に、MOSトランジスタのしきい値電圧VTNのばらつきの影響を受けることなく、安定に、MOSトランジスタMQ0の駆動電流を設定することができる。また、バイアス電圧VNを発生するために、機能回路1に含まれるNチャネルMOSトランジスタNQ1およびNQ0と同じしきい値電圧を有するNチャネルMOSトランジスタを用いてバイアス電圧を生成することができ、余分の製造工程が不要となり、製造コストを低減することができる。
【0149】
[実施の形態8]
図8は、この発明の実施の形態8に従うバイアス電圧発生回路BNKの構成を示す図である。この図8に示すバイアス電圧発生回路BNKにおいては、出力ノード206に対する定電流Iを供給する回路として、以下の定電流源回路が設けられる。
【0150】
すなわち、図8において、定電流源回路は、電源ノードと出力ノード206の間に接続されかつそのゲートがノード215に接続されるPチャネルMOSトランジスタ207と、電源ノードとノード215の間に接続されかつそのゲートがノード218に接続されるPチャネルMOSトランジスタ213と、ノード215とノード214の間に接続されかつそのゲートがノード214に接続されるPチャネルMOSトランジスタ212と、ノード214と接地ノードの間に接続される抵抗素子211と、電源ノードとノード218の間に接続される抵抗素子217と、ノード218と接地ノードの間に接続されかつそのゲートがノード214に接続されるPチャネルMOSトランジスタを含む。
【0151】
抵抗素子211は抵抗値R1を有し、抵抗素子217は、抵抗値R2を有する。抵抗素子211の抵抗値R1は、MOSトランジスタ212および213の導通時のチャネル抵抗(オン抵抗)が十分大きく、また抵抗素子217の抵抗値R2は、MOSトランジスタ216のオン抵抗よりも十分大きい。
【0152】
MOSトランジスタ212は、ダイオードモードで動作し、導通時、電圧|VTP|の電圧降下を、生じさせる。MOSトランジスタ216は、そのゲート(ノード214)の電圧レベルがドレイン(接地ノード)の電圧レベルよりも高いために、ソースフォロアモードで動作する。
【0153】
電源電圧VCCが変動し、MOSトランジスタ213および212を介して流れる電流量が増加した場合、ノード214の電圧レベルが上昇する。このノード214の電圧上昇は、MOSトランジスタ214のソースフォロアモード動作により、ノード218へ伝達され、ノード218の電圧レベルが上昇する。応じて、MOSトランジスタ213のゲート−ソース間電圧の絶対値が小さくなり、MOSトランジスタ213の供給電流が低下し、ノード214の電圧レベルが低下する。
【0154】
逆に、ノード214の電圧レベルが低下した場合、このノード214の電圧低下が、MOSトランジスタ216により、ノード218へ伝達される。このノード218の電圧低下により、MOSトランジスタ213のオン抵抗が低下し、MOSトランジスタ213の供給電流が増大し、ノード214の電圧レベルが上昇する。
【0155】
ノード214は、したがって、これらのMOSトランジスタ213および216のフィードバック制御により、電源電圧VCCの変動にかかわらず、一定の電圧レベルとなる。抵抗素子217および211の抵抗値R2およびR1の抵抗値が、十分高い場合には、これらのMOSトランジスタ213、212および216には、微小電流が流れるだけである。MOSトランジスタ213は、ノード218の電圧を反転増幅してノード215へ伝達する。したがって、このノード218の電圧V218は、MOSトランジスタ213がほぼ導通する電圧レベルとなり、次式(23)で表わされる。
【0156】
V218=VCC−|VTP| …(23)
ノード214の電圧が、MOSトランジスタ216のソースフォロアモードにより、ノード218へ伝達される。したがって、ノード214の電圧V214は、次式(24)で表わされる。
【0157】
V214=V218−|VTP|
=VCC−2・|VTP| …(24)
MOSトランジスタ212が、ダイオードモードで動作しており、ノード214の電圧V214よりも、電圧|VTP|高い電圧レベルに、ノード215の電圧レベルを設定する。したがって、ノード215の電圧V215は、次式(25)で表わされる。
【0158】
V215=V214+|VTP|
=VCC−|VTP| …(25)
MOSトランジスタ207が、このノード215の電圧V215に従って電流Iをノード206へ供給する。したがって、MOSトランジスタ207のゲート−ソース間電圧は、|VTP|となり、このMOSトランジスタ207が供給する電流Iは、電源電圧VCCに依存しない一定の電流となる。ここで、MOSトランジスタ212、213および216のしきい値電圧をすべて等しいとしている。
【0159】
MOSトランジスタ213および207が、同じサイズの場合、これらのMOSトランジスタ213および207のゲート−ソース間電圧は同じであり、同じ大きさの電流を流れる。したがって、MOSトランジスタ202および201をダイオードモードで動作させ、安定に、そのしきい値電圧VTNの電圧降下を生じさせて、電源電圧VCCに依存しないバイアス電圧VNを生成することができる。
【0160】
[実施の形態9]
図8に示す定電流源は、一般の半導体回路装置に適用することができる。図9に示す半導体回路装置においては、図8に示す定電流Iを発生する回路が、機能回路1Bに対する電流源として用いられる。この図9に示す定電流発生回路においては、電源電圧VCCに代えて、電圧V1が用いられ、接地電圧VSSに代えて、電圧V2が用いられる。機能回路1Bは、ロー側電源電圧V3を一方電源電圧として受け、またMOSトランジスタ207からの電流I3を動作電流として受ける。この機能回路1Bは、たとえば、カレントミラー型差動増幅回路のような定電流を必要とする回路であり、所定の処理を行なって出力信号VOUTを生成する。
【0161】
この機能回路1Bに与えられる電圧V3は、また電圧V2であってもよい。この電圧V2は、また接地電圧VSSであってもよい。
【0162】
この定電流発生回路には、図8に示す定電流発生回路と同一回路構成であり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。電圧V1およびV2は、この定電流発生回路に含まれるMOSトランジスタ212、213および216が、飽和領域で動作する電源電圧レベルであればよい。
【0163】
この定電流発生回路において、抵抗素子211および217は、高抵抗の抵抗素子であり、MOSLSIの場合、チャネル抵抗、不純物拡散層またはポリシリコン等の配線層により構成される。この機能回路1Bが、画像表示装置において用いられ、TFT回路で構成される場合、抵抗素子211および217は、薄膜抵抗またはTFTゲート電極材料で構成されてもよい。
【0164】
この図9に示す定電流発生回路において、MOSトランジスタ212および213を介して流れるI2は、MOSトランジスタ213および213が飽和領域で動作するため、次式(26)で表わされる。
【0165】
I2=β212・(V214−V215−VTP)2/2
=β213・(V213−V1−VTP)2/2 …(26)
ここで、β212およびβ213は、それぞれ、MOSトランジスタ212および213の導電係数を示し、V214、V215およびV218は、ノード214、215および218の電圧レベルを示す。
【0166】
MOSトランジスタ212および213が、同一サイズで構成される場合、その導電係数β212およびβ213が等しくなる。したがって、上式(26)を整理すると、次式(27)が得られる。
【0167】
V214−V215−VTN=V218−V1−VTP
V214−V215=V218−V1
V214−V218=V215−V1 …(27)
上式(27)は、MOSトランジスタ207および216のゲート−ソース間電圧が同じであることを示している。MOSトランジスタ216が飽和領域で動作しており、電流I1を放電する。抵抗素子217および211の抵抗値が十分大きい場合、このMOSトランジスタ216のゲート−ソース間電圧は、電圧VTPレベルとなる。したがって、MOSトランジスタ207も、飽和領域で動作させると、このMOSトランジスタ207を介して流れる電流I3も、電源電圧VCCに依存しない電流となる。MOSトランジスタ216および207がサイズが同じの場合、電流I1が電流I3と等しくなる。
【0168】
したがって、電圧V1、V2およびV3は、このMOSトランジスタ212、213、216および207を飽和領域で動作させるという条件を満足する電圧であれば、機能回路1Bに対し、電圧V1に依存しない一定の電流を供給することができ、機能回路1Bを、安定に動作させることができる。
【0169】
[実施の形態10]
図10は、この発明の実施の形態10に従うバイアス電圧発生回路BNKの構成を示す図である。図10に示すバイアス電圧発生回路BNKは、電圧VAを受ける電源ノードと出力ノード206の間に接続される抵抗素子222と、出力ノード206と接地ノードの間に直列に、接続されるそれぞれがダイオード接続されたNチャネルMOSトランジスタ220、202および201を含む。出力ノード206からバイアス電圧VNが出力される。この出力ノード206には、バイアス電圧VNを安定化するためのデカップル容量199が設けられる。
【0170】
電圧VAは、MOSトランジスタ201,202および220が、安定に、ダイオードモードで動作する電圧レベルであればよい。
【0171】
この図10に示すバイアス電圧発生回路BNKにおいて、抵抗素子222の抵抗値Rbは、MOSトランジスタ220、202および201のオン抵抗よりも十分大きな値に設定され、MOSトランジスタ220、202および201がダイオードモードで動作する。これらのMOSトランジスタ220、202および201は、導通時、しきい値電圧VTNの電圧降下を生じさせる。したがって、バイアス電圧VNとして、3・VTNが得られる。この場合、機能回路1において、MOSトランジスタNQ0へ、入力信号IN1として、VN−VTNが与えられると、このMOSトランジスタNQ0の駆動電流Inq0は、次式(28)で表わされる。
【0172】
Inq0∝(VN−VTN−VTN)∝(VTN) …(28)
したがって、この場合、MOSトランジスタNQ0の駆動電流Inq0は、しきい値電圧VTNのばらつきによる影響を受ける。しかしながら、単に、ダイオード接続されるNチャネルMOSトランジスタ220、202および201が用いられるだけであり、これらのしきい値電圧VTNは、機能回路1のMOSトランジスタNQ0およびNQ1と同じに設定することができ、製造工程を増加させることなく、バイアス電圧BNを生成して、この機能回路1において、入力信号IN1に従って出力信号を生成することができる。また、回路構成も簡略化されており、抵抗素子222の抵抗値Rbも十分大きな値であり、バイアス電圧BNを発生するための回路構成の占有面積を低減でき、また消費電力も低減することができる。
【0173】
[実施の形態11]
図11は、この発明の実施の形態11に従う半導体装置の全体の構成を概略的に示す図である。この実施の形態11においては、先の実施の形態1から10において示したバイアス電圧発生回路BPK,BNKおよび機能回路1を、画像表示装置において画素を駆動するために利用する。
【0174】
すなわち、この発明の実施の形態11に従う半導体装置は、行列状に配列される複数の表示画素素子を含む表示画素マトリクス300と、画素データPDに従って表示画素マトリクス300のデータ線(図示せず)を駆動するデータドライバ304と、タイミング信号に従ってこの表示画素マトリクス300の画素素子を選択するゲートドライバ302を含む。ゲートドライバ302は、この表示画素マトリクス300の各表示画素素子行に対応して配置されるゲート線を所定のシーケンスで駆動する。
【0175】
データドライバ304は、シフトレジスタまたはスイッチングトランジスタで構成され、画素データPDに従って表示画素マトリクス300内の各列方向に延在して配置されるデータ線へ画素データに応じた電圧を伝達する。データ線駆動時においては、各データ線が順次選択されて画素データにしたがって駆動されてもよく、また、1つのゲート線に接続される1行の画素素子に対して、同時に画素データが書込まれてもよい。
【0176】
このゲートドライバ302において、表示画素マトリクス300の表示画素素子を選択状態へ駆動するためのゲート線を駆動するために、先の実施の形態1から10において説明した回路を利用する。
【0177】
図12は、図11に示すゲートドライバ302および表示画素マトリクス300の、1つの表示画素素子PXに関連する部分の構成を概略的に示す図である。図12において、ゲートドライバ302は、タイミング信号TINiを受けてバッファ処理して相補信号TINおよびZTINを生成する入力バッファ回路310と、入力バッファ回路310の振幅電源電圧VDDの出力信号TINおよびZTINを、電圧VHおよびVLの電圧レベルに変換するレベル変換回路312と、レベル変換回路312の出力信号に従ってゲート線44を駆動するゲート線ドライブ回路314を含む。
【0178】
このレベル変換回路312は、バイアス電圧VPおよびVNに従って、小振幅の信号を生成し、かつこの小振幅信号に従ってゲート線ドライブ回路314を駆動する。ゲート線ドライブ回路314は、先の実施の形態1から10における機能回路1に対応し、レベル変換回路312の出力信号およびバイアス電圧VPおよびVNに従って対応のゲート線44を駆動する。
【0179】
表示画素マトリクス300においては、表示画素素子PXの各行に対応してゲート駆動線44が設けられ、また、表示画素素子PXの各列に対応してデータ線45が設けられる。データ線45に、図11に示す画素データPDに対応する電圧が伝達され、ゲート線44が選択状態へ駆動されたときに、データ線45上に伝達された画素データが表示画素素子PXに格納されて保持される。
【0180】
図13は、図12に示す画像表示素子PXの構成の一例を示す図である。図13において、画像表示素子PXは、ゲート線44上の信号に従って選択的に導通するNチャネルMOSトランジスタ46と、記憶ノード(画素ノード)47と電極ノード49の間に接続される容量素子48と、記憶ノード47と対向電極51の間に接続される液晶素子50を含む。
【0181】
MOSトランジスタ46は、通常、薄膜トランジスタ(TFT)で構成される。このMOSトランジスタ46の導通時、データ線45上に、画像信号が伝達されて、記憶ノード47に、この画像信号が保持される。液晶素子50は、対向電極51と記憶ノード47の間の電圧に従って、その偏光状態が決定される。
【0182】
ゲート駆動線44は、図12に示すゲート線ドライブ回路314により、電圧VHおよびVLの間で駆動される。電圧VHは、電源電圧VDDよりも高い高電圧であり、電圧VLは、接地電圧VSSよりも低い電圧である。以下、この画像表示素子PXの駆動動作について簡単に説明する。
【0183】
ゲート線44は、所定のシーケンスで順次選択状態へ駆動される。このゲート線44が選択されて、電圧VHレベルになると、MOSトランジスタ16が導通し、データ線45に伝達された画像信号が、記憶ノード47へ伝達される。この画像信号の書込時、MOSトランジスタ46のしきい値電圧損失が生じないように、ゲート線44へ与えられる電圧VHは、十分高い電圧レベルへ設定される。これにより、記憶ノード47へは、MOSトランジスタ46のしきい値電圧損失を受けることなく、データ線45に与えられた画像信号が書込まれる。
【0184】
この記憶ノード47への画像信号の書込の後、ゲート線44が非選択状態へ駆動され、その電圧レベルが電圧VLレベルに設定される。この記憶ノード47の画像信号は、容量素子48により保持される。このとき、MOSトランジスタ46を介して流れるリーク電流により、この記憶ノード47に格納された画像信号の電圧レベルが変化するのを防止するため、MOSトランジスタ46を、深いオフ状態に設定することが要求される。このため、ゲート線44へは、負電圧VLが与えられ、MOSトランジスタ46のゲート−ソース間が十分深い逆バイアス状態に設定される。
【0185】
この記憶ノード47に保持される電圧に従って液晶表示素子50の偏光状態が設定され、この画素PXの表示状態が決定される。この表示画素素子PXの表示形態としては、反射型および透過型のいずれが用いられてもよい。
【0186】
画像表示素子PXへは、高電圧VHおよび負電圧VLを供給するため、ゲート線ドライブ回路314へは、電源電圧VDDレベルよりも高い電圧が、供給される。実施の形態1から10において示した機能回路1の構成を、このゲート線ドライブ回路314に適用することにより、高電圧印加時においても、ゲート絶縁膜の信頼性を保証する。
【0187】
レベル変換回路312は、入力バッファ回路310の出力信号TINおよびZTINに従って、電圧VHと電圧VP+|VTP|の間で変化する信号と、電圧VLと電圧VN−VTNの間で変化する信号を生成する。
【0188】
図14は、図12に示す入力バッファ回路310の構成を示す図である。図14において、入力バッファ回路310は、入力ノード4に与えられる入力タイミング信号TINiを受けるCMOSインバータIV1と、CMOSインバータIV1の出力信号を受けるCMOSインバータIV2を含む。CMOSインバータIV1から、補の入力信号ZTINが出力され、CMOSインバータIV2から、入力信号TINが出力される。
【0189】
入力タイミング信号TINiは、ゲート線を駆動するタイミングおよびゲート線の活性状態の期間を決定し、ゲート線の垂直方向の走査シーケンスに従って活性化される。
【0190】
CMOSインバータIV1は、電源電圧VDDを受ける電源ノード311とノード7の間に接続されかつそのゲートが入力ノード4に接続されるPチャネルMOSトランジスタ5と、ノード7と接地電圧VSSを受ける接地ノード312の間に接続されかつそのゲートが入力ノード4に接続されるNチャネルMOSトランジスタ6を含む。ノード7から、信号ZTINが出力される。
【0191】
電源電圧VDDは、先の実施の形態と同様、外部からの電源電圧VCCであってもよく、また、内部で生成される電源電圧であってもよい。ここでは、画像表示装置内において動作電源電圧として用いられる電源電圧であることを示すために、符号VDDで電源電圧を示す。
【0192】
CMOSインバータIV2は、電源ノード311とノード10の間に接続されかつそのゲートがノード7に接続されるPチャネルMOSトランジスタ8と、ノード10と接地ノード312の間に接続されかつそのゲートがノード7に接続されるNチャネルMOSトランジスタ9を含む。ノード10から、信号TINが出力される。
【0193】
これらの入力バッファ回路310において、CMOSインバータIV1およびIV2が、電源電圧VDDおよび接地電圧VSSを動作電源電圧として動作し、入力タイミング信号TINiに従って、相補な入力信号TINおよびZTINを生成する。したがって、CMOSインバータIV1から出力される信号ZTINは、入力タイミング信号TINiとその論理レベルは相補な信号であり、CMOSインバータIV2から出力されるTINは、その論理レベルが、入力タイミング信号TIINiと同じである。
【0194】
図15は、図12に示すレベル変換回路312およびゲート線ドライブ回路314の構成を示す図である。図15において、レベル変換回路312は、図14に示す入力バッファ回路310の出力信号TINおよびZTINを受けて、電圧VHと接地電圧との間で変化する信号を生成するレベルシフト回路312Aと、このレベルシフト回路312Aの出力信号を受けて電圧VHおよび電圧VP+|VTP|の間で変化する信号と、電圧VLおよび電圧VN−VTNの間で変化する信号を生成するレベルシフト回路312Bを含む。
【0195】
すなわち、レベルシフト回路312Aにより、入力信号TINの電圧VDD/VSSレベルが、電圧VH/VSSレベルに変換される。レベルシフト回路312Bにより、このレベルシフト回路312Aによりレベル変換された電圧VH/VSSレベルが、電圧VH/VLレベルに変換される。
【0196】
レベルシフト回路312Aは、高電圧VHを受ける昇圧ノード324とノード23aの間に接続されかつそのゲートがノード24aに接続されるPチャネルMOSトランジスタ11aと、昇圧ノード324とノード24aの間に接続されかつそのゲートがノード23aに接続されるPチャネルMOSトランジスタ12aと、ノード23aおよび25aの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VPを受けるPチャネルMOSトランジスタ19aと、ノード24aとノード26aの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VPを受けるPチャネルMOSトランジスタ20aと、ノード25aとノード27aの間に接続されかつそのゲートにバイアスノード18aに与えられるバイアス電圧Vnを受けるNチャネルMOSトランジスタ21aと、ノード26aとノード28aの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧Vnを受けるNチャネルMOSトランジスタ22aと、ノード27aと接地ノード322の間に接続されかつそのゲートに入力信号TINを受けるNチャネルMOSトランジスタ13aと、ノード28aと接地ノード322の間に接続されかつそのゲートに入力信号ZTINを受けるNチャネルMOSトランジスタ14aを含む。
【0197】
バイアス電圧Vnは、バイアス電圧VNと異なる電圧レベルである。これは、レベルシフト回路312Aおよび312Bにおいて、ローレベル側電源電圧が、それぞれ接地電圧VSSおよび負電圧VLであり、互いにロー側電源電圧の電圧レベルが異なるためである。バイアス電圧Vnは、次式の関係を満たす。
【0198】
VN=Vn+|VL|
バイアス電圧Vnは、MOSトランジスタ21aおよび22aのしきい値電圧よりも高い電圧レベルであり、また、バイアス電圧VNは、先の実施の形態7から10と同様、しきい値電圧VTNの2倍以上の電圧レベルである。これらのバイアス電圧VNおよびVnの電圧レベルは、負電圧VLの電圧レベルに応じて適当に定められる。
【0199】
レベルシフト回路312Aにおいて、MOSトランジスタ13aおよび14aが、入力信号TINおよびZTINを差動増幅する差動段を構成し、MOSトランジスタ11aおよび12aが、この差動増幅段により増幅された電圧をラッチするラッチ段を構成する。MOSトランジスタ19a−22aは、それぞれこのレベルシフト回路312Aにおける内部の信号の振幅を制限するために用いられる。この振幅制限により、高電圧VHが電源電圧として用いられても、各MOSトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電圧を緩和し、ゲート絶縁膜の信頼性を確保する。
【0200】
レベルシフト回路312Bは、昇圧ノード324とノード23bの間に接続されかつそのゲートがノード24aに接続されるPチャネルMOSトランジスタ11bと、昇圧ノード324とノード24bの間に接続されかつそのゲートがノード23aに接続されるPチャネルMOSトランジスタ12bと、ノード23bとノード25bの間に接続されかつそのゲートがバイアスノード17を介してバイアス電圧VPを受けるPチャネルMOSトランジスタ19bと、ノード24bおよび26bの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VPを受けるPチャネルMOSトランジスタ20bと、ノード25bおよび27bの間に接続されかつそのゲートがバイアスノード18bを介してバイアス電圧VNを受けるNチャネルMOSトランジスタ21bと、ノード26bとノード28bの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VNを受けるNチャネルMOSトランジスタ22bと、ノード27bと負電圧ノード326の間に接続されかつそのゲートがノード28bに接続されるNチャネルMOSトランジスタ13bと、ノード28bと負電圧ノード326の間に接続されかつそのゲートがノード27bに接続されるNチャネルMOSトランジスタ14bを含む。
【0201】
レベルシフト回路312Bにおいては、MOSトランジスタ11bおよび12bが、レベルシフト回路312Aの相補信号を差動的に増幅する差動段を構成し、このMOSトランジスタ13bおよび14bが、差動増幅された信号のローレベル信号をラッチするラッチ段を構成する。MOSトランジスタ19bないし22bが、電界緩和用の振幅制限回路として機能する。
【0202】
ノード23bからゲート線ドライブ回路314に対する信号IN2が出力され、ノード27bから、このゲート線ドライブ回路314に対する信号IN1が出力される。
【0203】
バイアス電圧VPおよびVNも、同様、このゲート線ドライブ回路314へ電界緩和のために与えられる。
【0204】
ゲート線ドライブ回路314は、昇圧ノード324とノード38の間に接続されかつそのゲートに、レベルシフト回路312Bのノード23bからの信号IN2を受けるPチャネルMOSトランジスタ41と、ノード38と出力ノード43の間に接続されかつそのゲートがバイアス電圧VPを受けるPチャネルMOSトランジスタ40と、出力ノード43とノード39の間に接続されかつそのゲートがバイアス電圧VNを受けるNチャネルMOSトランジスタ37と、ノード39と負電圧ノード316の間に接続されかつそのゲートが、ノード27bからの入力信号IN1を受けるNチャネルMOSトランジスタ42を含む。
【0205】
この図15に示すレベル変換回路312およびゲート線ドライブ回路314におけるMOSトランジスタは、すべて、薄膜トランジスタ(TFT)で構成される。
【0206】
また、ゲート線ドライブ回路314においては、1段のドライブ段が示されている。しかしながら、ゲート線ドライブ回路314が駆動するゲート線44の負荷が大きい場合には、ゲート線ドライブ回路314において、複数のドライブ段が縦続接続されて、このゲート線44の大きな負荷を高速で駆動するように構成されてもよい。この縦続接続の場合、ノード38および39からの信号が、次段の回路に対する入力信号として用いられる。バイアス電圧VPおよびVNは、この縦続接続される回路に対して共通に与えられる。最終段の駆動回路のノード43からゲート線ドライブ信号DVが出力される。
【0207】
図16は、図15に示すバイアス電圧VPを発生する回路の構成を概略的に示す図である。図16において、バイアス電圧発生回路BPKは、ノード324の高電圧VPとノード326の負電圧VLとから、バイアス電圧VPを生成する。このバイアス電圧発生回路BPKの構成としては、先の実施の形態1から5に示すバイアス電圧発生回路BPKの構成のいずれが用いられてもよい。バイアス電圧VPは、電圧VH−2・|VTP|−r・Iの電圧レベルである。
【0208】
図17は、図15に示すバイアス電圧VNを発生する回路の構成を概略的に示す図である。図17において、バイアス電圧発生回路BNKは、ノード324の高電圧VHとノード326の負電圧VLとから、バイアス電圧VNを生成する。このバイアス電圧発生回路BNKの構成としては、先の実施の形態7から10のいずれの構成が用いられてもよい。バイアス電圧VNの電圧レベルは、2・VTN+r・I+VLである。
【0209】
図18は、図15に示すバイアス電圧Vnを発生する回路の構成を概略的に示す図である。このバイアス電圧発生回路BNKnは、ノード324の高電圧VHとノード322の接地電圧VSSとから、バイアス電圧Vnを生成する。このバイアス電圧発生回路BNKnは、図17に示すバイアス電圧発生回路BNKと同様の構成を有し、その回路構成としては、先の実施の形態7から10のいずれの構成が用いられてもよい。バイアス電圧Vnの電圧レベルは、2・VTN+r・Iである。
【0210】
図19は、図15に示すレベル変換回路312およびゲート線駆動回路314の動作を示す信号波形図である。以下、図19を参照して、図15に示す回路の動作について説明する。
【0211】
入力タイミング信号TINi(図14参照)が接地電圧VSSレベルから電源電圧VDDLレベルに上昇すると、入力信号TINも同様、接地電圧VSSから電源電圧VDDLレベルに上昇する。一方、補の入力信号ZTINが、電源電圧VDDレベルから、接地電圧VSSレベルに低下する。
【0212】
この場合、レベルシフト回路312Aにおいて、MOSトランジスタ13aが導通し、MOSトランジスタ14aが非導通状態となる。バイアス電圧Vnは、MOSトランジスタ13aの導通時、ノード27aが接地電圧VSSレベルに駆動されると、MOSトランジスタ21aがオン状態となる電圧レベルである。したがって、MOSトランジスタ13aおよび21aがともに導通し、ノード25aの電圧レベルが接地電圧レベルに低下する。
【0213】
MOSトランジスタ19aは、ゲートにバイアス電圧VPを受けている。バイアス電圧VPは、高電圧VHよりも低い電圧レベルである。ノード23aの電圧レベルが、今、高電圧VHレベルであるため、MOSトランジスタ19aが導通し、ノード23aの電圧レベルが低下する。ノード23aの電圧レベルが低下すると、MOSトランジスタ12aが導通しノード24aの電圧レベルが上昇し、応じてMOSトランジスタ11aのコンダクタンスが小さくなる。
【0214】
MOSトランジスタ11aおよび12aにより、ノード23aの電圧レベルがMOSトランジスタ13aおよび21aにより放電されると、ノード24aの電圧レベルが上昇する。ノード23aの電圧レベルが、VP+|VTP|となると、MOSトランジスタ19aが非導通状態となる。従って、ノード23aの電圧レベルは、MOSトランジスタ19aのソースフォロアモードにより、電圧VP+|VTP|の電圧レベルに維持される。
【0215】
一方、このノード23aの電圧レベルが、電圧VP+|VTP|の場合、MOSトランジスタ12aは、導通状態を維持するため、ノード24aは、高電圧VHレベルにまで上昇する(VH>VP+2・|VTP|)。
【0216】
すなわち、ノード23aの電圧が、MOSトランジスタ19aのゲート電圧VPよりもそのしきい値電圧の絶対値分高い電圧レベルとなると、MOSトランジスタ19aがオフ状態となる。
【0217】
VH−VP>|VTP|である。したがって、MOSトランジスタ20aは、ノード24aの電圧が高電圧VHとなると、非飽和領域で動作し、ノード24aの電圧レベルは、MOSトランジスタ20aを介してノード26aに電圧降下なしで伝達される。従って、ノード26aの電圧レベルは、高電圧VHレベルとなる。
【0218】
ノード25aの電圧レベルは、MOSトランジスタ19aが非導通状態、MOSトランジスタ21aが導通状態となっており、接地電圧VSSレベルとなる。
【0219】
MOSトランジスタ22aは、NチャネルMOSトランジスタであり、バイアス電圧Vnは、高電圧VHよりも低い電圧レベルである。したがって、MOSトランジスタ22aは、そのゲート電圧がドレイン電圧よりも低いため、ソースフォロアモードで動作し、ノード28aの電圧レベルは、以下の電圧レベルに設定される。
【0220】
V28a=Vn−VTN
従って、レベルシフト回路312Aにおいては、MOSトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電圧は、高電圧VHよりも低い電圧レベルである。最大、MOSトランジスタ22aにおいて電圧VH−Vnの電圧が印加され、また、MOSトランジスタ20aにおいて、電圧VH−VPが印加されるだけである。これらの電圧は、高電圧よりも十分に低いため、レベルシフト回路312Aにおいて、ゲート絶縁膜の信頼性を確保して、正確に振幅VDDの信号を振幅VHの信号に変換することができる。
【0221】
レベルシフト回路312Aのノード23aの電圧レベルが、電圧VP+|VTP|となると、レベルシフト回路312Bにおいて、MOSトランジスタ12bが導通する。一方、MOSトランジスタ11bは、そのゲートおよびソースの電圧がともに高電圧VHに等しくなるため、非導通状態となる。
【0222】
MOSトランジスタ12bが導通すると、ノード24bの電圧レベルが高電圧VHレベルとなり、応じてMOSトランジスタ20bが導通する。ノード26bが、MOSトランジスタ20bおよび12bを介して充電されて、その電圧レベルが上昇する。
【0223】
ノード28bが負電圧VLレベルにあり、このノード26bの電圧上昇は、MOSトランジスタ22bを介してノード28bに伝達され、応じてMOSトランジスタ13bが導通する。MOSトランジスタ13bが導通すると、ノード27bの電圧レベルが負電圧VLレベルに低下し、MOSトランジスタ14bが非導通状態となる。このノード27bが負電圧VLレベルに低下すると、MOSトランジスタ14bは完全に非導通状態となる。
【0224】
このノード27bの電圧レベルが負電圧VLレベルのとき、MOSトランジスタ21bは、導通状態にあり、ノード25bの電圧レベルが、低下する。MOSトランジスタ11bは、ゲートに高電圧VHを受けており、非導通状態にある。MOSトランジスタ19bのソースフォロア動作により、ノード電23bの電圧レベルは、VP+|VTP|の電圧レベルにクランプされる。ノード25bの電圧レベルは、MOSトランジスタ19bが非導通状態、MOSトランジスタ21bが導通状態となり、負電圧VLレベルとなる。
【0225】
一方、バイアス電圧VPが、電圧VH−|VTP|より低いため、MOSトランジスタ20bが導通状態を維持し(非飽和領域で動作し)、ノード26bは、高電圧VHレベルを維持する。バイアス電圧VNは高電圧VHよりも低いため、MOSトランジスタ22bがソースフォロアモードで動作し、ノード28bの電圧レベルは、VN−VTNの電圧レベルとなる。
【0226】
従って、レベルシフト回路312Bにおいても、各MOSトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電圧は、高電圧VHよりも低い。最大、電圧VH−VPまたはVH−VNの電圧がゲート絶縁膜に印加されるだけであり、十分にゲート絶縁膜の信頼性を保証することができる。
【0227】
また、MOSトランジスタのソースフォロア動作を利用して、内部信号の電圧レベルを設定しており、正確にバイアス電圧に応じた振幅の信号を生成することができる。
【0228】
この状態において、ノード23bの電圧レベルが、VP+|VTP|、ノード27bの電圧レベルが負電圧VLレベルである。したがって、ゲート線駆動回路314において、MOSトランジスタ42がオフ状態、MOSトランジスタ41がオン状態となり、ノード43からゲート線44へ伝達されるゲート線駆動信号DVが、高電圧VHレベルにまで上昇する。
【0229】
入力信号TINが、電源電圧VDDから、接地電圧VSSに低下する場合には、レベルシフト回路312Aおよび312Bにおいて、逆の動作が行なわれ、ノード23aが、高電圧VHレベル、ノード24aが、電圧VP+|VTP|の電圧レベルに設定される。また、ノード24bが、電圧VP+|VTP|の電圧レベルに低下し、応じてノード28bも、負電圧VLレベルに低下する。ノード23bが、高電圧VHレベルとなり、またノード27bが、電圧VN−VTNの電圧レベルとなる。
【0230】
したがって、ゲート線駆動回路314において、MOSトランジスタ41がオフ状態、MOSトランジスタ42がオン状態となり、ノード43からゲート線44へ必要とされるゲート線駆動信号DVが、負電圧VLレベルに低下し、ゲート線44が非活性化される。
【0231】
このレベルシフト回路312Aおよび312Bにおいて、差動段の出力を、交差結合されるMOSトランジスタでラッチしている。このラッチ段と差動段の間に、バイアス電圧VPおよびVNまたはVnをゲートに受けるMOSトランジスタを配置することにより、これらのMOSトランジスタの電圧降下機能により、すべてのMOSトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電圧を、高電圧VHまたは負電圧VLよりも低い電圧レベルに設定することができ、ゲート絶縁膜の信頼性を保証することができる。
【0232】
また、バイアス電圧VPおよびVNをゲートに受けるMOSトランジスタをソースフォロアモードで動作させることにより、正確にバイアス電圧VPおよびVNの電圧レベルに応じた電圧レベルの信号を生成してゲート線駆動回路314へ与えることができる。
【0233】
また、ゲート線駆動回路314においても、正確にバイアス電圧に応じた振幅の信号を、入力信号IN1およびIN2として受けて、高電圧VHおよび不電圧VLの間で変化する信号を、そのゲート絶縁膜の信頼性を損なうことなく生成することができる。
【0234】
これにより、画像表示装置において、薄膜トランジスタ(TFT)を用いて、ゲート線駆動回路を構成する場合においても、そのしきい値電圧がばらついても、安定にゲート線44を駆動することができ、ゲート線44の駆動時において、動作マージンを大きくすることができ、高速で、ゲート線44を走査する事ができる。
【0235】
また、このレベルシフト回路312Aおよび312Bにおいて、中間段にバイアス電圧VPおよびVNまたはVnを受けるMOSトランジスタを、ソースフォロアモードで動作させることにより、高電圧ノードおよび負電圧ノードに結合されるMOSトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電圧を緩和することができ、ゲート絶縁膜の信頼性を保証することができ、また、安定に、バイアス電圧に基づいて小振幅の信号を生成してゲート線駆動回路へ与えることができる。
【0236】
[実施の形態12]
図20は、この発明の実施の形態12に従うレベル変換回路312の構成を示す図である。この図20に示すレベル変換回路312は、図14に示す入力バッファ回路310からの振幅VDDの相補信号TINおよびZTINを、振幅VDD−VLの信号に変換するレベルシフト回路312Cと、このレベルシフト回路312Cの出力信号を、さらに、振幅VH−VLの信号に変換するレベルシフト回路312Dを含む。
【0237】
このレベルシフト回路312Dの出力信号に従って、ゲート線駆動回路314が、ゲート線44を駆動する。
【0238】
レベルシフト回路312Cは、電源電圧VDDを受ける電源ノード311とノード23cの間に接続されかつそのゲートに入力信号TINを受けるPチャネルMOSトランジスタ11cと、ノード23cとノード25cの間に接続されかつそのゲートに、ノード17cを介してバイアス電圧Vpを受けるPチャネルMOSトランジスタ19cと、電源ノード311とノード24cの間に接続されかつそのゲートに補の入力信号ZTINを受けるPチャネルMOSトランジスタ12cと、ノード24cおよび26cの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧Vpを受けるPチャネルMOSトランジスタ20cと、ノード25cとノード27cの間に接続されかつそのゲートにバイアスノード18dを介してバイアス電圧VNを受けるNチャネルMOSトランジスタ21cと、ノード26cとノード28cの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VNを受けるNチャネルMOSトランジスタ22cと、ノード27cと負電圧ノード326の間に接続されかつそのゲートがノード28cに接続されるNチャネルMOSトランジスタ13cと、ノード28cと負電圧ノード326の間に接続されかつそのゲートがノード27cに接続されるNチャネルMOSトランジスタ14cを含む。
【0239】
バイアス電圧Vpは、電源電圧VDDよりも低い電圧である。レベルシフト回路312Cおよび312Dにおいて、ハイ側電源電圧の電圧レベルが異なるために、バイアス電圧Vpが用いられる。バイアス電圧Vpは、MOSトランジスタ19cおよび20cが、ソース電圧が電源電圧レベルのときに導通する電圧レベルであり、以下の条件を満たす。
【0240】
VP=Vp+(VH−VDD)
このレベルシフト回路312Cにおいては、MOSトランジスタ11cおよび12cが、入力信号TINおよびZTINを差動増幅する差動段を構成し、MOSトランジスタ13cおよび14cが、ゲートおよびドレインが交差結合されて、ラッチ回路を構成する。
【0241】
バイアス電圧VpおよびVNを受けるMOSトランジスタが、振幅制限用のトランジスタとして機能し、また、MOSトランジスタのゲート絶縁膜に対する電界緩和用のトランジスタとして機能する。
【0242】
レベルシフト回路312Dは、高電圧ノード324とノード23dの間に接続されかつそのゲートがノード24dに接続されるPチャネルMOSトランジスタ11dと、高電圧ノード324とノード24dの間に接続されかつそのゲートがノード23dに接続されるPチャネルMOSトランジスタ12dと、ノード23dとノード25dの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VPを受けるPチャネルMOSトランジスタ19dと、ノード24dとノード26dの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VPを受けるPチャネルMOSトランジスタ20dと、ノード25dとノード27dの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VNを受けるNチャネルMOSトランジスタ21dと、ノード26dとノード28dの間に接続されかつそのゲートにバイアス電圧VNを受けるNチャネルMOSトランジスタ22dと、ノード27dと負電圧ノード326の間に接続されかつそのゲートがノード27cに接続されるNチャネルMOSトランジスタ13dと、ノード28dと負電圧ノード326の間に接続されかつそのゲートがノード28cに接続されるNチャネルMOSトランジスタ14dを含む。
【0243】
このレベルシフト回路312Dにおいては、MOSトランジスタ13dおよび14dが、レベルシフト回路312Cのレベルシフト信号を差動的に増幅する。交差結合されたPチャネルMOSトランジスタ11dおよび12dが、この差動増幅された信号をラッチしてそのHレベルを、高電圧VHレベルに変換する。
【0244】
このレベルシフト回路312Dにおいても、バイアス電圧VPおよびVNを受けるMOSトランジスタが、振幅制限用のトランジスタとして機能し、正確にバイアス電圧VPおよびVNの電圧レベルに応じた小振幅の信号を生成して、ゲート線駆動回路314へ与えることができる。
【0245】
ゲート線駆動回路314は、先の図15に示す構成と同様の構成を備え、高電圧ノード324と出力ノード43の間に直列に接続されるPチャネルMOSトランジスタ41および40と、出力ノード43と負電圧ノード326の間に直列に接続されるNチャネルMOSトランジスタ37および42を含む。MOSトランジスタ41のゲートがレベルシフト回路312Dのノード24dに接続され、MOSトランジスタ42のゲートが、レベルシフト回路312Dのノード28dに接続される。MOSトランジスタ40および37のゲートへは、それぞれ、バイアス電圧VPおよびVNが与えられる。
【0246】
図21は、図20に示すバイアス電圧Vpを発生する回路の構成を概略的に示す図である。図21において、バイアス電圧発生回路BPKpは、電源ノード311の電源電圧VDDと負電圧ノード326の負電圧VLとに従って、バイアス電圧Vpを生成する。このバイアス電圧発生回路BPKpの構成としては、先の実施の形態1から5において説明したバイアス電圧発生回路BPKの構成を利用することができる。電源電圧VCCに代えて電源電圧VDDを利用し、接地電位VSSに代えて、負電圧VLを使用する。この場合、バイアス電圧Vpは、電圧VDD−2・|VTP|−r・Iで与えられる。電流Iは、定電流源から供給される。
【0247】
バイアス電圧VPおよびVNは、先の図16および図17に示すバイアス電圧発生回路BPKおよびVNKと同様の構成からそれぞれ生成される。バイアス電圧VPが高電圧VHに基づいて生成され、バイアス電圧VNが、負電圧VLに基づいて生成される。このバイアス電圧VNは、電源電圧VDDよりも低い電圧レベルである。
【0248】
図22は、図20に示すレベル変換回路312およびゲート線駆動回路314の動作を示す信号波形図である。以下、図22を参照して、この図20に示すレベル変換回路312およびゲート線駆動回路314の動作について説明する。
【0249】
バイアス電圧Vpは、次式(29)の関係を満たす。
Vp=VP−(VH−VDD) …(29)
今、入力信号TINが、接地電位VSSから、電源電圧VDDレベルに上昇する場合を考える。レベルシフト回路312Cにおいて、MOSトランジスタ11cが非導通状態、MOSトランジスタ12cが導通状態となる。このMOSトランジスタ12cの導通により、ノード24cが充電され、その電圧レベルが、電源電圧VDDレベルに上昇する。ゲートにバイアス電圧Vpを受けるMOSトランジスタ20cが非飽和領域で動作するため、このノード24cの電圧がノード26cに伝達され、ノード26cの電圧レベルが同様電源電圧レベルにまで上昇する。
【0250】
ノード28cの電圧レベルが、負電圧VLであり、MOSトランジスタ22cが、そのゲートにバイアス電圧VNを受けており、ノード26cの電圧をノード28cに伝達する。応じて、MOSトランジスタ13cが導通し、ノード27cの電圧レベルが負電圧VLレベルへ低下する。ノード27cの電圧レベルが負電圧VLレベルに低下すると、MOSトランジスタ14cがオフ状態となる。
【0251】
バイアス電圧VNが、電源電圧VDDよりも低いため、MOSトランジスタ22cがソースフォロアモードで動作し、ノード28cの電圧レベルは、VN−VTNとなる。
【0252】
MOSトランジスタ21cが、ノード27cが負電圧レベルであり導通し、ノード25cの電圧レベルを低下させる。MOSトランジスタ11cは、非導通状態にある。MOSトランジスタ19cが、ソースフォロアモードで動作し、ノード23cの電圧レベルを、Vp+|VTP|の電圧レベルに維持する。ノード25cの電圧レベルは、MOSトランジスタ19cが非導通状態、MOSトランジスタ21cが導通状態となっており、負電圧VLレベルに維持される。
【0253】
したがって、この状態においては、各MOSトランジスタのゲート絶縁膜に印加される電圧は、最大VL−VN+VTNまたは、Vp−VDDレベルであり、ゲート絶縁膜に印加される電圧は十分に低くすることができる。
【0254】
また、内部においてノードの電圧変化の振幅を制限することができ、正確に小振幅の信号を生成して次段のレベルシフト回路312Dへ与えることができる。
【0255】
レベルシフト回路312Dにおいては、MOSトランジスタ14dが、ゲートにノード28cの電圧VN−VTNを受けて導通し、ノード28dを負電圧VLレベルにまで放電する。一方、MOSトランジスタ13dは、ノードにゲート27cの負電圧VLを受けて非導通状態となる。この状態においては、ノード27dが、MOSトランジスタ21dにより、電圧VN−VTNのレベルにクランプされる。
【0256】
ノード28dが負電圧VLレベルとなると、この負電圧VLは、バイアス電圧VNよりもしきい値電圧VTN以上低いため、MOSトランジスタ22dを介してノード26dに負電圧VLが伝達される。このとき、MOSトランジスタ20dは、ゲートに、ノード24dの電圧レベルの高電圧VHレベルよりも低いバイアス電圧VPを受けており、導通して、ノード24dを放電する。このノード24dの放電レベルは、MOSトランジスタ19dのソースフォロア動作により、電圧VP+|VTP|の電圧レベルとなる。
【0257】
高電圧VHは、バイアス電圧VPよりも、しきい値電圧VTPの絶対値の2倍以上高い電圧レベルであり、MOSトランジスタ11dが、導通し、ノード23dは、高電圧VHレベルにまで駆動される。応じて、MOSトランジスタ12dが非導通状態となる。ノード24dは、MOSトランジスタ20dにより、電圧VP+|VTP|の電圧レベルに維持される。これにより、ゲート線駆動回路314に対するハイ側入力信号IN2のローレベルを、バイアス電圧に応じて、正確に設定することができる。
【0258】
MOSトランジスタ20dにおいて、ゲート絶縁膜に電圧VP−VLが印加されるものの、バイアス電圧VPは、電源電圧VDDよりも低い電圧レベルであり、電圧VP−VLが、電源電圧VDDレベル程度に設定することにより、このMOSトランジスタ20dのゲート絶縁膜の信頼性は、十分に保証することができる。
【0259】
残りのMOSトランジスタについては、MOSトランジスタのソースフォロア動作により、内部ノードの電圧振幅が制限されており、高電圧VHよりも十分低い電圧が印加されるだけであり、そのゲート絶縁膜の信頼性は十分保証することはできる。
【0260】
また、ゲートにバイアス電圧VPおよびVNを受けるMOSトランジスタのソースフォロア動作により、正確にバイアス電圧の電圧レベルに応じた小振幅の信号をハイ側およびロー側の信号について生成することができる。
【0261】
ゲート線駆動回路314においては、MOSトランジスタ41が、ゲートに電圧VP+|VTP|を受け、MOSトランジスタ42は、ゲートに電圧VLを受けており、ノード43を、高電圧VHレベルにまで駆動する。
【0262】
一方、入力信号TINが、接地電位VSSレベルに放電される場合には、MOSトランジスタ11cが導通し、MOSトランジスタ12cが非導通状態となる。この状態においては、ノード25cの電圧レベルが上昇し、応じてノード27dの電圧レベルも、MOSトランジスタ21cを介しての充電により上昇する。応じて、MOSトランジスタ14cが導通し、ノード28cを、負電圧VLレベルに駆動し、応じてMOSトランジスタ13cが非導通状態となる。この状態においては、ノード27cは、MOSトランジスタ21cのソースフォロア動作により、電圧VN−VTNの電圧レベルにクランプされる。
【0263】
レベルシフト回路312Dにおいては、MOSトランジスタ13dが導通状態、MOSトランジスタ14dが非導通状態となり、ノード27dが負電圧VLレベルに駆動される。ノード28dは、MOSトランジスタ22dのソースフォロア動作により電圧VN−VTNの電圧レベルにクランプされる。
【0264】
ノード27dの負電圧は、ノード25dに伝達され、応じて、MOSトランジスタ19dにより、ノード23dの電圧レベルが低下する。このノード23dの電圧レベルの低下により、MOSトランジスタ12dが導通し、ノード24dの電圧レベルが上昇し、MOSトランジスタ11dがオフ状態となる。
【0265】
この状態においては、ノード24dの電圧レベルは、MOSトランジスタ12dにより、高電圧VHの電圧レベルとなる。ノード23dの電圧レベルは、MOSトランジスタ19dにより、電圧VP+|VTP|の電圧レベルにクランプされる。
【0266】
したがって、ゲート線駆動回路314においては、MOSトランジスタ41が非導通状態となり、一方、MOSトランジスタ42が導通状態となり、ノード43の出力信号は、負電圧VLレベルとなる。
【0267】
この場合においても、いずれのMOSトランジスタに対しても、ゲート絶縁膜に印加される電圧は、十分に緩和することができる。また、MOSトランジスタのソースフォロア動作に従ってノード28dの電圧レベルを、正確に、電圧VN−VTNに設定することができ、バイアス電圧の電圧レベルに応じた小振幅の信号を正確に生成することができる。
【0268】
また、バイアス電圧VPおよびVNは、ゲート線駆動回路314のMOSトランジスタ41および42のしきい値電圧が出力信号に対する影響を相殺するような電圧レベルに設定されており、安定にゲート線駆動信号を生成することができる。
【0269】
また、バイアス電圧VPおよびVNに基づいてゲート線駆動回路に対する入力信号を、MOSトランジスタのソースフォロア動作を利用して生成しており、正確にバイアス電圧VPおよびVNの電圧レベルに応じた小振幅信号を生成してゲート線駆動回路へ与えることができる。従って、高電圧VHおよび負電圧VLを用いてゲート線駆動回路314を駆動する場合においても、ゲート線駆動回路314のMOSトランジスタのゲート絶縁膜の耐圧特性を保証することができる。
【0270】
以上のように、この発明の実施の形態12に従えば、画像表示装置のゲート線駆動回路に、バイアス電圧により、出力駆動回路のゲート絶縁膜に印加される電圧を緩和するように構成しており、高電圧VHおよび負電圧VLを用いてゲート線を駆動する場合においても、確実に、MOSトランジスタのゲートに印加される電圧を緩和することができる。また、バイアス電圧をゲートに受けるトランジスタのソースフォロア動作を利用しており、正確に、バイアス電圧の電圧レベルに応じた2種類の小振幅の信号(ハイ側入力信号およびロー側入力信号)を生成してゲート線駆動回路へ与えることができる。
【0271】
特に、これらの構成要素のMOSトランジスタが、薄膜トランジスタ(TFTで構成される場合においても、そのしきい値電圧が大きくばらつく場合においても、安定に、しきい値電圧のバラツキの影響を受けることなく、ゲート線駆動回路314により、ゲート線44を駆動することができる。
【0272】
[実施の形態13]
図23は、この発明の実施の形態13に従う半導体装置の要部の構成を概略的に示す図である。この図23に示す構成においては、画像表示素子PXとして、電流が流れると発光するエレクトロルミネッセンス発光素子が用いられる。
【0273】
すなわち、画像表示素子PXは、ゲート線44上の駆動信号DVに従って選択的に導通し、導通時、データ線45上の映像信号を記憶ノード(画素電極)47へ伝達するNチャネルMOSトランジスタ46と、記憶ノード47と定電圧供給ノード49の間に接続される容量素子48と、この記憶ノード47上の記憶電位に従って選択的に導通するドライブトランジスタ53と、ドライブトランジスタ53と基準ノード55の間に接続されるエレクトロルミネッセンス表示素子54を含む。
【0274】
ドライブトランジスタ53は、導通時、エレクトロルミネッセンス発光素子54を基準ノード52に結合する。基準ノード52および55へは、それぞれ、基準電圧VCHおよびVCLが与えられる。
【0275】
エレクトロルミネッセンス発光素子54は、記憶ノード47の記憶電位に従ってドライブトランジスタ53が導通すると、基準ノード52に結合され、ドライブトランジスタ53が供給する電流量に応じて、発光する。
【0276】
ゲート線44に対しては、先の実施の形態11および12と同様、入力タイミング信号をバッファ処理して生成される相補信号TINおよびZTINをレベル変換するレベル変換回路312と、このレベル変換回路312の出力信号に従って駆動信号DVを生成するゲート線ドライブ回路314とが設けられる。
【0277】
レベル変換回路312へは、高電圧VH、負電圧VLおよび接地電位VSSが、動作電源電圧として供給される。ゲート線ドライブ回路314へは、高電圧VHおよび負電圧VLが、動作電源電圧として供給される。これらのレベル変換回路312およびゲート線ドライブ回路314は、先の実施の形態11または12の構成を備え、高電圧VHおよび負電圧VLを用いて駆動信号DVを生成する場合においても、その構成要素の薄膜トランジスタ(TFT)のゲート絶縁膜に印加される電界を緩和する。
【0278】
図23に示すように、画像表示素子PXとして、エレクトロルミネッセンス発光素子54が用いられる場合においても、記憶ノード47の信号電位のリークを防止し、かつ確実に、映像信号を書込むために、ゲート線44は、高電圧VHと負電圧VLの間で駆動される。したがって、このエレクトロルミネッセンス発光素子54を用いる場合においても、先の実施の形態11または12と同様のレベル変換回路312およびゲート線ドライブ回路314の構成を利用することにより、安定に、ゲート線ドライブ信号DVを生成することができる。
【0279】
なお、レベル変換回路312およびゲート線ドライブ回路314は、薄膜トランジスタ(TFT)で、構成要素のMOSトランジスタが構成される。この薄膜トランジスタの構成としては、ガラス基板上に半導体層を堆積し、その半導体層にMOSトランジスタが形成される構成であってもよい。また、このガラス基板に代えて、樹脂基板等の絶縁基板上に半導体層が形成され、この半導体層に薄膜トランジスタが形成されてもよい。薄膜トランジスタ(TFT)の構成としては、画像表示装置において、表示画素マトリクス内において画素マトリクスを形成するトランジスタスイッチと同一構造の薄膜トランジスタが用いられればよい。
【0280】
[実施の形態14]
図24は、この発明の実施の形態14に従うバイアス電圧発生回路BPKの構成を概略的に示す図である。図24に示すバイアス電圧発生回路BPKは、電源電圧VCCを受ける電源ノードとノード105の間に直列に接続される、それぞれがダイオード接続されるPチャネルMOSトランジスタ101および102と、ノード105と出力ノード106の間に接続される降圧素子350を含む。この降圧素子350は、動作時、所定の電圧Vrの電圧降下を生じさせる。この出力ノード106から、バイアス電圧VPが出力される。電源ノードと出力ノード106の間には、デカップル容量107が接続される。
【0281】
降圧素子350は、ダイオード接続されるPチャネルMOSトランジスタ、ダイオード接続されるNチャネルMOSトランジスタ、または、PNダイオードのいずれであってもよい。それぞれ導通時、しきい値電圧の絶対値または順方向降下電圧の電圧降下を生じさせる。
【0282】
また、降圧素子350として抵抗素子が用いられる場合には、出力ノード106に、定電流源が接続され、抵抗素子に一定の電流を流し、所定の大きさの電圧降下を生じさせる。
【0283】
降圧素子350として、ダイオード接続されるMOSトランジスタが用いられる場合、バイアス電圧VPには、しきい値電圧の依存性が存在する。しかしながら、この場合、回路構成を簡略化でき、消費電流を低減することができる。PNダイオードの場合、PN接合のビルトイン電圧を利用するだけであり、ばらつきが、しきい値電圧に較べて小さく、次段の機能回路において、ドライブトランジスタのしきい値電圧の影響を相殺して、出力信号を生成することができる。
【0284】
抵抗素子が、降圧素子350として用いられる場合は、先の実施の形態1ないし4の場合と同じである。
【0285】
したがって、ノード105および106の間に、一定の電圧Vrの電圧降下を生じさせる素子を用いれば、バイアス電圧VPを生成して機能回路1へ与えることにより、機能回路の出力信号におけるしきい値電圧の影響を、抑制することができる。
【0286】
図25は、この発明の実施の形態14に従うバイアス電圧発生回路BNKの構成を概略的に示す図である。この図25に示すバイアス電圧発生回路BNKにおいては、接地電圧VSSを受ける接地ノードとノード205の間に、それぞれがダイオード接続されるNチャネルMOSトランジスタ201および202が直列に接続される。ノード205と出力ノード206との間に、昇圧素子360が設けられる。この昇圧素子360は、ノード205の電圧を、電圧Vr昇圧させて、出力ノード206に伝達する。出力ノード206に、バイアス電圧VNが発生する。この出力ノード206には、また、デカップル容量199が接続される。
【0287】
この昇圧素子360としては、PNダイオード、NチャネルMOSトランジスタ、ダイオード接続されるPチャネルMOSトランジスタ、および抵抗素子を利用することができる。昇圧素子360として、PNダイオードまたは抵抗を利用する場合、バイアス電圧VNにより、機能回路におけるドライブトランジスタのしきい値電圧が、出力信号駆動に及ぼす影響を抑制することができる。また昇圧素子360として、ダイオード接続されるMOSトランジスタを利用する場合、回路構成を簡略化でき、また消費電流を低減することができる。
【0288】
図24および図25に示す構成において、画像表示装置にこれらのバイアス電圧発生回路BPKおよびBNKが利用される場合、MOSトランジスタは、薄膜トランジスタ(TFT)で構成される。
【0289】
また、バイアス電圧発生回路BPKおよびBNKにおいて、電源電圧VCCおよび接地電圧VSSに代えて、高電圧VHおよび負電圧VLがそれぞれ用いられてもよい。
【0290】
以上のように、この発明の実施の形態14に従えば、機能回路に含まれるドライブトランジスタと同一導電型のMOSトランジスタをダイオード接続し、このダイオード接続されるMOSトランジスタと出力ノードの間に、一定の電圧のシフトを生じさせるレベル変換素子を利用しており、低消費電流で、バイアス電圧を生成して機能回路を駆動することができる。また、このレベルシフトされる電圧量が、MOSトランジスタのしきい値電圧と特別な電圧レベルの場合、機能回路の駆動トランジスタのしきい値電圧の出力信号駆動に及ぼす影響を抑制することができる。
【0291】
【発明の効果】
以上のように、この発明に従えば、ゲート絶縁膜の信頼性を確保するために、バイアス電圧をゲートに受けるトランジスタを介して入力信号に従って出力信号を生成し、この入力信号の振幅をバイアス電圧により決定する構成において、バイアス電圧を、出力トランジスタのしきい値電圧が出力信号に及ぼす影響を抑制するように生成しており、しきい値電圧のばらつきの影響を受けることなく安定に出力信号を生成することができ、回路動作マージンを十分に確保することができ、回路動作を安定化させることができる。これにより、信号処理を高速化することができる。
【0292】
すなわち、第1および第2の電源ノードの間に直列に第1ないし第4の電界効果トランジスタが接続される機能回路に対し、第1および第2の電源ノードの電圧それぞれに基づいて電圧レベルの異なる第1および第2のバイアス電圧を生成し、第2および第3の電界効果トランジスタのゲートへ与えるバイアス電圧発生回路を設け、このバイアス電圧発生回路を、第1および第4の電界効果トランジスタの少なくとも一方のしきい値電圧の出力信号に対する影響を抑制するように第1および第2のバイアス電圧を生成するように構成しており、しきい値電圧がばらついても、その影響を抑制して、安定に出力信号を生成することができる。
【0293】
バイアス電圧発生回路を、それぞれがダイオード接続される複数の電界効果トランジスタと、その電界効果トランジスタと第1のバイアス電圧の出力ノードとの間に、所定の電圧差を生じさせる電圧レベル変換素子とで構成することにより、容易に、機能回路の第1のトランジスタのしきい値電圧の影響を抑制することのできるバイアス電圧を生成することができる。
【0294】
また、バイアス電圧発生回路を、第2の電圧を受けるノードに対し、それぞれがダイオード接続されるMOSトランジスタを直列に複数個接続し、これらのMOSトランジスタと第2のバイアス電圧の出力ノードとの間に、所定の電圧差を生じさせるレベル変換素子とで構成することにより、容易に、第4のトランジスタのしきい値電圧が、出力信号に及ぼす影響を抑制して、高速かつ安定に出力信号を生成することができる。
【0299】
また、この抵抗素子に対し、一定の電流を供給する定電流回路を設けることにより、容易に所望の大きさの電圧差を、正確に抵抗素子により生成することができる。
【0300】
また、バイアス電圧発生回路を、第1の電圧を受けるノードと第1のバイアス電圧出力ノードの間にそれぞれダイオード接続されるMOSトランジスタと抵抗素子を直列に接続し、この第1のバイアス電圧出力ノードに、定電流源を結合することにより、容易に、しきい値電圧を電圧成分として含む、所望の電圧レベルの第1のバイアス電圧を生成することができる。
【0301】
また、バイアス電圧発生回路を、第2の電圧を受けるノードと第2のバイアス電圧出力ノードの間にそれぞれダイオード接続されるMOSトランジスタと抵抗素子を直列に接続し、この第2のバイアス電圧出力ノードに、定電流源を結合することにより、容易に、しきい値電圧を電圧成分として含む、所望の電圧レベルの第2のバイアス電圧を生成することができる。
【0302】
また、このバイアス電圧発生回路として、MOSトランジスタのフィードバックを利用する定電流発生回路を利用することにより、第1または第2の電圧レベルと独立の、しきい値電圧成分を電圧成分として含む安定なバイアス電圧を生成することができる。
【0303】
また、相補信号対を差動的に増幅して、相補出力信号を生成し、この相補出力信号をさらに差動的に増幅して、第1および第4のトランジスタのゲートへ与えられる第1および第2の駆動信号を生成するとともに、この機能回路の出力信号に従って画像表示素子を駆動することにより、しきい値電圧のばらつきの大きい薄膜トランジスタを用いる場合においても、安定にかつ高速で画像表示素子を駆動することができる。
【0304】
また、これらの相補信号を生成する増幅回路を、差動段と、この差動段の出力信号をラッチするラッチ段と、差動段とラッチ段との間の信号の振幅を制限する振幅制限回路段とで構成することにより、容易に差動増幅しかつレベル変換された信号を、ゲート絶縁膜の信頼性を損なうことなく生成することができる。これにより、画像表示素子を、振幅の大きな信号で、安定に駆動することができる。
【0305】
特に、この振幅制限回路段を、ゲートにバイアス電圧を受けるソースフォロアモードで動作するMOSトランジスタで構成した場合、バイアス電圧に基づいて正確に振幅制限された小振幅の信号を生成して機能回路を駆動することができる。この振幅制限段として、ハイ側およびロー側両者にも受けることにより、第1および第2のバイアス電圧それぞれに基づいて性格に振幅制限された小振幅の信号を生成して機能回路を駆動することができる。レベル変換処理動作時に、機能回路への入力信号の振幅制限を行うことにより、回路専有面積を低減することができ、また、高速で小振幅の信号を生成して機能回路へ与えることができる。
【0306】
また画像表示素子が、液晶表示素子またはエレクトロルミネッセンス素子の場合において、バイアス電圧発生回路および機能回路の構成要素が薄膜トランジスタで構成される場合においても、安定にかつ高速でゲート線を駆動することができる。
【0307】
また、この電界効果トランジスタが、薄膜トランジスタで構成され、しきい値電圧のばらつきが大きい場合においても、しきい値電圧のばらつきの影響を抑制して安定に出力信号を生成することができる。
【0308】
また、第1の電圧が、第2の電圧よりも高い電圧の場合、それぞれ、Hレベルへ出力信号を駆動する場合に、安定にかつ高速で、出力信号をHレベルへ駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図2】 この発明の実施の形態2に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図3】 この発明の実施の形態3に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図4】 この発明の実施の形態4に従う定電流回路の構成を示す図である。
【図5】 この発明の実施の形態5に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図6】 この発明の実施の形態6に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図7】 この発明の実施の形態7に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図8】 この発明の実施の形態8に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図9】 この発明の実施の形態9に従う定電流回路の構成を示す図である。
【図10】 この発明の実施の形態10に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図11】 この発明の実施の形態11に従う半導体装置の要部の構成を概略的に示す図である。
【図12】 図11に示すゲートドライバの構成を概略的に示す図である。
【図13】 図12に示す画像表示素子の構成の一例を示す図である。
【図14】 図12に示す入力バッファ回路の構成を示す図である。
【図15】 図12に示すレベル変換回路の構成を示す図である。
【図16】 図15に示すバイアス電圧VPを発生する回路の構成を概略的に示す図である。
【図17】 図15に示すバイアス電圧VNを発生する回路の構成を概略的に示す図である。
【図18】 図15に示すバイアス電圧Vnを発生する回路の構成を概略的に示す図である。
【図19】 図15に示すレベル変換回路の動作を示す信号波形図である。
【図20】 この発明の実施の形態12に従うレベル変換回路の構成を示す図である。
【図21】 図20に示すバイアス電圧Vpを発生する回路の構成を概略的に示す図である。
【図22】 図20に示すレベル変換回路の動作を示す信号波形図である。
【図23】 この発明の実施の形態13に従う半導体装置の要部の構成を概略的に示す図である。
【図24】 この発明の実施の形態14に従うバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図25】 この発明の実施の形態14に従う他のバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【図26】 従来の出力駆動回路の構成を示す図である。
【図27】 図26に示すバイアス電圧と電源電圧の関係を示す図である。
【図28】 図26に示す出力駆動回路のハイレベル信号出力時の入出力信号の電圧を示す図である。
【図29】 図26に示す出力駆動回路のローレベル信号出力時の入出力信号の電圧を示す図である。
【図30】 従来のバイアス電圧発生回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 機能回路、PQ0,PQ1 PチャネルMOSトランジスタ、NQ0,NQ1 NチャネルMOSトランジスタ、101,102 PチャネルMOSトランジスタ、103 抵抗素子、100 定電流源、BPK,BNK バイアス電圧発生回路、108,110 NチャネルMOSトランジスタ、109,111抵抗素子、112,113,116 NチャネルMOSトランジスタ、117抵抗素子、120 PチャネルMOSトランジスタ、201,202 NチャネルMOSトランジスタ、203 抵抗素子、200 定電流源、207,208 PチャネルMOSトランジスタ、209,211,217 抵抗素子、213,212,216 PチャネルMOSトランジスタ、1A,1B 機能回路、220 NチャネルMOSトランジスタ、222 抵抗素子、300 表示画素マトリクス、302 ゲートドライバ、304 データドライバ、310 入力バッファ回路、312 レベル変換回路、312A,312B,312C,312D レベルシフト回路、314 ゲート線ドライブ回路、50 液晶表示素子、11a,11b,12a,12b,19a,19b,20a,20b,40,41 PチャネルMOSトランジスタ、21a,21b,22a,22b,13a,13b,14a,14b,37,42 NチャネルMOSトランジスタ、11c,12c,12d,19c,19d,20c,20d PチャネルMOSトランジスタ、21c,21d,22c,22d,13c,13d,14c,14d NチャネルMOSトランジスタ、54 エレクトロルミネッセンス発光素子、350 降圧素子、360 昇圧素子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device composed of MOS transistors (insulated gate field effect transistors). More specifically, the present invention relates to a semiconductor device in which a voltage applied to a gate insulating film of a MOS transistor is reduced. More specifically, the present invention relates to a configuration for stably generating an output signal while guaranteeing the reliability of a gate insulating film of a MOS transistor without being affected by variations in process parameters in a MOS output circuit. . More specifically, the present invention relates to a configuration of a circuit that generates a display element selection signal of an image display device.
[0002]
[Prior art]
A circuit using a MOS transistor (insulated gate field effect transistor) has an advantage of low power consumption, and is widely used in applications such as integrated circuits.
[0003]
In a MOS transistor, a voltage is applied to a control electrode (gate) separated from a substrate region by an insulating film to control conduction / non-conduction of the MOS transistor. When the insulating film (gate insulating film) directly under the gate causes dielectric breakdown, the gate and the substrate region are short-circuited and a large current flows. Therefore, it is necessary to sufficiently ensure the breakdown voltage characteristics of the gate insulating film. In particular, when the element is miniaturized, the gate insulating film is generally thinned, and the tolerance of the voltage applied to the gate is lowered, so that the breakdown voltage characteristic of the gate insulating film is generally guaranteed. .
[0004]
Even if the voltage applied to the gate insulating film is within an allowable range, if a voltage is applied to the gate over a long period of time, voltage stress is applied to the gate insulating film, and this stress is accumulated, causing the gate insulating film to break down. Occurs. Such a phenomenon is known as a temporal dielectric breakdown (TDDB) of the gate insulating film. In order to prevent such breakdown of the gate insulating film, a configuration for reducing the voltage applied to the gate insulating film is shown in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-149773).
[0005]
FIG. 26 is a diagram illustrating a configuration of the CMOS inverter disclosed in
[0006]
Voltage relaxation circuit 905 is connected between MOS transistor PQ0 and
[0007]
Bias voltage VP is generated based on power supply voltage VCC, and bias voltage VN is generated based on ground voltage VSS. Output signal OUT0 is output from
[0008]
The input signal IN1 changes between the ground voltage and the voltage VN-VTN, and the input signal IN2 changes between the power supply voltage VCC and the voltage VP-VTP. Voltages VTP and VTP indicate threshold voltages of N channel MOS transistors NQ0 and NQ1, respectively, and voltage VTP indicates a threshold voltage of P channel MOS transistors PQ0 and PQ1. By limiting the amplitude of input signals IN1 and IN2, the voltage applied to the gate insulating films of MOS transistors PQ0 and NQ0 is relaxed.
[0009]
FIG. 27 shows the power supply voltage dependence of bias voltages VP and VN shown in FIG. In FIG. 27, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents the voltage level of the power supply voltage VCC. Bias voltage VP is at a voltage level lower than power supply voltage VCC by voltage V0, and increases linearly with power supply voltage VCC. On the other hand, the bias voltage VN is fixed to the voltage V0 when the power supply voltage VCC exceeds the voltage V0. The bias voltage VN increases with the power supply voltage VCC until the power supply voltage VCC exceeds the voltage V0. The voltage V0 is, for example, 2V, and the absolute value of the threshold voltage of the MOS transistor is lower than 1V. Therefore, the voltage V0 is higher than 2 · VTN and 2 · | VTP |.
[0010]
FIG. 28 is a diagram showing voltage levels of input / output signals when a high level signal is output. As shown in FIG. 28, the input signal IN1 is set to the ground voltage VSS (= 0V), and the input signal IN2 is set to the voltage VP + | VTP |. In this state, MOS transistor NQ0 has a gate and a source at the same voltage level, and maintains a non-conductive state. The output signal OUT1 is set to the voltage level of the voltage VN-VTN by the source follower operation of the MOS transistor NQ1.
[0011]
On the other hand, MOS transistor PQ0 receives voltage VP + | VTP | as input signal IN2 at its gate. Bias voltage VP is VCC-V0, and voltage V0 is higher than 2 · | VTP |. Therefore, when the input signal IN2 is the voltage VP + | VTP |, the MOS transistor PQ0 becomes conductive, and the voltage level of the output signal OUT2 becomes the power supply voltage VCC level. Since bias voltage VP is 2 · | VTP | or more lower than power supply voltage VCC, MOS transistor PQ1 is also conductive, and output signal OUT0 is also at power supply voltage VCC level.
[0012]
Under the voltage application condition shown in FIG. 28, the voltage applied to the gate insulating film of MOS transistor PQ0 is expressed by the following equation.
[0013]
VCC-VP- | VTP | = V0- | VTP | ≧ | VTP |
In MOS transistor PQ1, a voltage of VCC-VP (= V0) is applied to its gate insulating film. In MOS transistor NQ1, voltage VCC-VN is applied to its gate insulating film. In MOS transistor NQ0, voltage VN−VTN ≦ V0−VTN is applied to the gate insulating film.
[0014]
Therefore, only a voltage lower than power supply voltage VCC is applied to the gate insulating films of these MOS transistors PQ0, PQ1, NQ1 and NQ0. Even when the power supply voltage is high, the voltage applied to the gate insulating film of these MOS transistors can be reliably reduced, and the reliability of the gate insulating film can be guaranteed.
[0015]
FIG. 29 is a diagram showing voltage levels of input / output signals when a low level signal is output. When this low level signal is output, the input / output IN1 is set to voltage VN−VTN ≧ VTN, and the input signal IN2 is set to the power supply voltage VCC level. In this state, since the MOS transistor PQ0 is in the off state, the output signal OUT2 is maintained at the voltage level of the voltage VP + | VTP | by the source follower operation of the MOS transistor PQ1.
[0016]
On the other hand, the MOS transistor NQ0 is turned on in accordance with the voltage VN−VTN of the input signal IN1, and sets the output signal OUT1 to the ground voltage VSS (= 0V). Here, the bias voltage VN is at a voltage level higher than 2 · VTN. Therefore, the MOS transistor NQ1 is also turned on, and the output signal OUT0 becomes the ground voltage VSS (= 0V).
[0017]
Even under the voltage application condition shown in FIG. 29, the voltage applied to the gate insulating film of MOS transistor PQ0 is voltage VCC-VP- | VTP |. The voltage applied to the gate insulating film of the MOS transistor PQ1 becomes the maximum VP (the output signal OUT0 is at the ground voltage level). In MOS transistor NQ1, the voltage applied to its gate insulating film is equal to bias voltage VN. In MOS transistor NQ0, the voltage applied to the gate insulating film is VN-VTN.
[0018]
Therefore, also in this case, the voltage applied to the gate insulating films of MOS transistors PQ0, PQ1, NQ1, and NQ0 can be made lower than power supply voltage VCC.
[0019]
The output signal OUT0 is a large-amplitude signal that changes between the power supply voltage VCC and the ground voltage. On the other hand, the output signal OUT1 is a small amplitude signal that changes between the ground voltage VSS and the voltage VN−VTN, and the output signal OUT2 also has a small amplitude signal that changes between the power supply voltage VCC and the voltage VP + | VTP |. It is.
[0020]
In order to set the voltage levels of the input signals IN1 and IN2 or to set the voltage levels of the output signals OUT0 to OUT2, it is necessary to stably generate the bias voltages VP and VN. In the above-described
[0021]
FIG. 30 is a diagram showing the configuration of the bias voltage generating circuit disclosed in
[0022]
MOS transistors NQT1 and NQT2 have their back gates (substrate regions) connected to the sources to cancel the influence of the substrate effect on the threshold voltage.
[0023]
This bias voltage generating circuit is further coupled to
[0024]
A bias voltage VP is generated from the
[0025]
MOS transistors NQT1-NQT4 have their threshold voltages set to ½ of voltage V0 by ion implantation or the like. The current driving capability of these MOS transistors NQT1-NQT4 is sufficiently increased.
[0026]
The magnitude of current Ir flowing through MOS transistors PQ3 and NQ4 and resistance element RZ is determined by the channel resistance of MOS transistors PQ3 and NQ4 and the resistance value of resistance element RZ. MOS transistors NQ4 and NQ3 form a current mirror circuit, and mirror current Ip of current Ir flowing through MOS transistor NQ4 flows through MOS transistor NQ3. This mirror current Ip is sufficiently smaller than the current that can be driven by MOS transistors NQT1 and NQT2. Therefore, MOS transistors NQT1 and NQT2 operate in the diode mode, and the voltage drop of each threshold voltage is reduced. Cause it to occur. Now, it is assumed that the threshold voltage of MOS transistors NQT1-NQT4 is VTH. In that case, the bias voltage VP from the
[0027]
On the other hand, MOS transistors PQ3 and PQ4 form a current mirror circuit, and mirror current In of current Ir flowing through MOS transistor PQ3 flows through MOS transistor PQ4. Since mirror current In is sufficiently smaller than the drivable current of MOS transistors NQT3 and NQT4, when MOS transistors NQT3 and NQT4 are turned on, a voltage drop of threshold voltage VTH occurs. Therefore, when power supply voltage VCC is higher than 2 · VTH, bias voltage VN has a voltage level of 2 · VTH. When power supply voltage VCC is lower than 2 · VTH, MOS transistor NQT3 and At least one of the
[0028]
Further, by using the output circuit as described above, it is possible to ensure the reliability of the gate insulating film of the MOS transistor even when the voltage level of the power supply voltage VCC is high. Even if it is changed over a wide range according to the interface specification, it is possible to operate stably.
[0029]
Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-163715) discloses a CMOS output drive circuit that uses the same bias voltage as that of
[0030]
[Patent Document 1]
JP-A-11-149773
[0031]
[Patent Document 2]
JP 2000-155617 A
[0032]
[Patent Document 3]
JP 2000-155620 A
[0033]
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-163715
[0034]
[Problems to be solved by the invention]
Now, it is assumed that the bias voltage VP is generated using the circuit shown in FIG. 30 and satisfies the condition of the following expression (1).
[0035]
VP = VCC-2 · VTH (1)
Next, consider the voltage application conditions shown in FIG. That is, consider the state where the input signal IN applied to the gate of the MOS transistor PQ0 is at the voltage VP + | VTP |. In this case, the output signals OUT0 and OUT2 are driven to the power supply voltage VCC. The drive speed when output signals OUT0 and OUT2 rise to power supply voltage VCC level depends on the current drive capability of MOS transistor PQ0. The current drive capability of the MOS transistor PQ0 depends on the gate-source voltage of the MOS transistor PQ0. That is, current I0 flowing through MOS transistor PQ0 is represented by the following equation.
[0036]
I0∝ (VGS0-VTP) (2)
Here, VGS0 is a gate-source voltage of the MOS transistor PQ0 and is expressed by the following equation (3).
[0037]
VGS0 = VP + | VTP | −VCC (3)
Substituting the value of the bias voltage VP expressed by the above equation (1) into the above equation (3), the following equation (4) is obtained.
[0038]
VGS0 = VCC-2 · VTH + | VTP | -VCC
= −2 · VTH + | VTP | (4)
Therefore, when the above equation (4) is substituted into the above equation (2), the following equation (5) is obtained.
[0039]
I0∝ (-2 ・ VTH + | VTP | -VTP)
∝ (-2 ・ VTH + 2 ・ | VTP |) (5)
As is clear from the above equation (5), the current drive capability of the MOS transistor PQ0 is affected by variations in the threshold voltages VTP and VTH. Therefore, when threshold voltages VTH and VTP vary due to variations in manufacturing parameters, the current driving capability of MOS transistor PQ0 varies. The potential change speed of the output signal OUT2 varies accordingly, and the operation margin of the next-stage circuit cannot be secured.
[0040]
In order to operate the circuit stably, it is necessary to consider a margin until the output signals OUT0 and OUT2 are stabilized. Therefore, a timing margin for the output signal OUT2 needs to be sufficiently large, and high-speed operation is performed. The problem of being unable to do so arises.
[0041]
When the input signal IN2 is the power supply voltage VCC, the output signal OUT2 has a voltage level of the voltage VP + | VTP |. In this case, the voltage level of the output signal OUT2 is expressed by the following equation (6).
[0042]
OUT2 = VCC-2 · VTH + | VTP | (6)
Therefore, even in this case, the voltage level of the output signal OUT2 is affected by variations in the threshold voltages VTH and VTP. The output signal OUT2 is a small amplitude signal that changes between the power supply voltage VCC and the voltage VCC-2 · VTH + | VTP |. Therefore, when the threshold voltages VTH and VTP vary, there arises a problem that the high level and the low level of the output signal OUT2 cannot be accurately identified.
[0043]
In particular, when the inverter shown in FIG. 26 is cascaded in a plurality of stages, output signals OUT1 and OUT2 are used as input signals IN1 and IN2 of the next-stage inverter. In this case, in the next-stage inverter, the transistor PQ0 cannot be brought into a complete conduction state, and there is a possibility that an accurate circuit operation cannot be guaranteed.
[0044]
As for the bias voltage VN, the bias voltage VN is 2 · VTH. When the input signal IN1 is at the ground voltage level, the voltage level of the output signal OUT1 is expressed by the following equation (7).
[0045]
OUT1 = 2 · VTH−VTN (7)
When the threshold voltages VTH and VTN are equal, the output signal OUT1 has a high level VTH (= VTN), and the voltage level is affected by variations in threshold voltage.
[0046]
When the input signal IN1 is voltage VN−VTN, the gate-source voltage is voltage VN−VTN = 2 · VTH−VTN. Therefore, the drive current Inq0 of the MOS transistor NQ0 in this case is expressed by the following equation (8).
[0047]
Inq0∝ (2.VTH-VTN-VTN)
∝ (VTH-VTN) (8)
Therefore, also in this case, when threshold voltages VTH and VTN fluctuate, similarly, the speed at which output signal OUT1 is driven to the ground voltage level is different, which is the same as the problem with the previous P channel MOS transistor PQ0. A problem also occurs with the output signal OUT1.
[0048]
Therefore, since these output signals OUT1 and OUT2 are affected by the threshold voltage, similarly, the driving speed of the output signal OUT0 is also affected by the variation of the threshold voltage.
[0049]
Further, a problem that the next-stage circuit cannot be operated accurately occurs similarly.
In particular, when this circuit is applied to an image display device or the like, the MOS transistor is composed of a TFT (Thin Film Transistor). The thin film transistor is formed in a semiconductor layer formed on an insulating layer such as a glass substrate or a resin layer. In the case of this thin film transistor, therefore, the variation in threshold voltage is larger than that of a normal MOS transistor formed on the surface of a semiconductor substrate. In the case of a thin film transistor, a semiconductor layer is formed on a resin layer or a glass substrate, and source, channel, and drain regions are formed in the semiconductor layer. For this reason, the influence of the film quality of the semiconductor layer appears greatly on the threshold voltage, and it is difficult to control the film quality as compared with a normal MOS transistor formed on the surface of the semiconductor substrate. In a thin film transistor, impurity implantation into a channel region for adjusting a threshold voltage and application of a back gate bias voltage for stabilizing the threshold voltage are generally not performed.
[0050]
Further, in order to generate the bias voltages VP and VN, the threshold voltage VTH of the MOS transistor for bias voltage generation is set to the absolute value of the threshold voltages VTP and VTN of the transistors of the output circuit by ion implantation or the like. It is different. For this reason, in order to generate a bias voltage, a process such as ion implantation for adjusting a threshold voltage is required, which increases the number of manufacturing processes and increases the manufacturing cost.
[0051]
Further,
[0052]
Here, Patent Document 3 discloses a configuration intended to generate a storage voltage at a constant voltage level regardless of the operating environment. In Patent Document 3, the power supply voltage dependency of the output voltage is suppressed, and the temperature dependency of the output voltage is eliminated by using a source follower transistor. However, no consideration is given to the influence of the threshold voltage dependency of the bias voltage on the output signal in the circuit that ensures the reliability of the gate insulating film.
[0053]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing the influence of fluctuations in the threshold voltage of a MOS transistor on an output signal.
[0054]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of stably generating an output signal even if the threshold voltage varies.
[0055]
Still another object of the present invention is to provide a circuit for generating a bias voltage for driving an output circuit capable of suppressing the influence of a threshold voltage on an output signal.
[0056]
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device suitable for generating a drive signal in an image display device.
[0057]
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of generating an output signal stably without impairing the reliability of the gate insulating film of a MOS transistor.
[0058]
[Means for Solving the Problems]
This departureClearlySuch a semiconductor device includes a functional circuit that operates by receiving first and second voltages applied to first and second power supply nodes, respectively, as operating power supply voltages. This functional circuit includes first, second, third and fourth field effect transistors connected in series between first and second power supply nodes. The first and second field effect transistors have different conductivity types from the third and fourth field effect transistors.
[0059]
This departureClearlyThe semiconductor device further generates first and second bias voltages having different voltage levels based on the first and second voltages, respectively, and applies them to the gates of the second and third field effect transistors, respectively. A bias voltage generation circuit is included. The bias voltage generation circuit generates a corresponding bias of the first and second bias voltages so as to suppress the influence of the threshold voltage of at least one of the first and fourth field effect transistors on the output signal. .
[0060]
In the first aspect of the present inventionThe bias voltage generation circuit includes a plurality of field effect transistors connected in series between a first node receiving a first voltage and a second node, each of which is diode-connected, and the second node And a voltage level conversion element connected between the output node for outputting the first bias voltage and generating a predetermined voltage difference between the second node and the output node.This voltage level conversion element includes a resistance element.
[0061]
In the second aspect of the present inventionThe bias voltage generation circuit includes a plurality of field effect transistors connected in series between a first node receiving a second voltage and a second node, each of which is diode-connected, and the second node And a voltage level conversion element that generates a voltage difference of a predetermined magnitude between the second node and the output node.This voltage level conversion element includes a resistance element.
[0066]
Preferably, a constant current circuit for driving a current having a constant magnitude is provided for this resistance element.
[0067]
In the third aspect of the present inventionIn the bias voltage generation circuit, each connected in series between the node receiving the first voltage and the output node outputting the first bias voltage is diode-connected, and each is the same as the second transistor A series body of a plurality of conductive type field effect transistors and resistance elements, and a constant current source for driving a current of a certain magnitude coupled between an output node and a node receiving a second voltage are included.
[0068]
In the fourth aspect of the present inventionThe bias voltage generating circuit is connected in series between a node that receives the second voltage and an output node that outputs the second bias voltage, each being diode-connected and each having the same conductivity as the third transistor. And a constant current source coupled between the output node and the node receiving the first voltage to drive a current of a certain magnitude.
[0069]
In the fifth aspect of the present inventionThe bias voltage generation circuit includes a plurality of field effect transistors and resistor elements each connected in series between a node that receives the first voltage and an output node that outputs the first bias voltage, each of which is diode-connected. A current source transistor driving a constant current coupled between the series body and an output node and a node receiving the second voltage;1A first resistance element connected between the internal power supply node receiving the voltage of the first and the first internal node, and a first internal resistance connected between the first resistance element and the gate of the current source transistor. A first reference transistor of the same conductivity type as a current source transistor having a gate connected to the node, and connected between the internal power supply node and the second internal node and its gate connected to the first internal node A second reference transistor having the same conductivity type as the current source transistor, a gate of the current source transistor,2A third reference transistor having the same conductivity type as that of the current source transistor and having a gate connected to the second internal node and a second internal node and a second internal node2A second resistance element connected to a node receiving the voltage of the second.
[0070]
In a sixth aspect of the inventionThe bias voltage generation circuit is connected in series between a node that receives the second voltage and an output node that outputs the second bias voltage, each of which is a diode-connected field effect transistor and resistor element And a current source transistor coupled between the output node and the node receiving the first voltage to drive a current of a certain magnitude,2A first resistance element connected between the internal power supply node receiving the voltage of the first and the first internal node, and a first internal resistance connected between the first resistance element and the gate of the current source transistor. A first reference transistor having the same conductivity type as the current source transistor, having a gate connected to the node, and connected between the internal power supply node and the second internal node, and the gate connected to the first internal node Connected between the second reference transistor of the same conductivity type as the current source transistor, the gate of the current source transistor and the node receiving the second voltage, and the gate is connected to the second internal node. And a third reference transistor having the same conductivity type as the current source transistor, and a second resistance element connected between the second internal node and the node receiving the second voltage.
[0071]
In a seventh aspect, a semiconductor device according to the present inventionFurthermore, a first amplification circuit that differentially amplifies the complementary signal pair to generate a complementary output signal, and a complementary output signal that outputs the first amplification circuit is further differentially amplified, A second amplifying circuit for generating first and second driving signals having the same logic level and different voltage levels applied to the gates of the first and fourth transistors, and an image driven in accordance with an output signal of the functional circuit; Display element andWith. The output signal of this functional circuit is output from the connection point of the second and third field effect transistors.
[0072]
Preferably, the first amplifier circuit includes a first differential stage for differentially amplifying the complementary signal pair, a first latch stage for latching an output signal of the first differential stage, and the first differential stage. A first amplitude limiting stage connected between one differential stage and a first latch stage to limit the amplitude of a signal transferred between the first differential stage and the first latch stage including. The second amplifier circuit includes a second differential stage that differentially amplifies the latch signal of the first latch stage, a second latch stage that latches the output signal of the second differential stage, A second amplitude limiter connected between the second differential stage and the second latch stage to limit the amplitude of the signal transferred between the second differential stage and the second latch stage. Includes steps. The latch signal of the second latch stage and the output signal of the second differential stage are applied to the gates of the first and fourth field effect transistors, respectively.
[0073]
Preferably, the image display element is composed of either a liquid crystal display element or an electroluminescence light emitting element.
[0074]
Each field effect transistor is a thin film transistor.
Preferably, the first voltage is set to a voltage level higher than the second voltage.
[0075]
Instead, the second voltage is set to a higher voltage level than the first voltage.
[0078]
By generating and using a voltage that suppresses the influence corresponding to the output signal of the threshold voltage of the first and fourth field effect transistors as the bias voltage, even if the threshold voltage varies in manufacturing parameters Therefore, the output signal can be generated stably while suppressing the influence of the variation in threshold voltage.
[0079]
In addition, by generating a voltage including a threshold voltage component having the same magnitude as the threshold voltage of the second and third transistors as the bias voltage, the first or fourth threshold voltage component can be used. The influence of variations in the threshold voltage of the transistor can be canceled out, and an output signal can be generated stably.
[0080]
Further, by driving the current source transistor by a circuit composed of a resistance element and a MOS transistor, the gate voltage of the current source transistor can be set to a voltage level independent of the power supply voltage, and the current source transistor can be set to the gate of the current source transistor. A voltage that cancels the influence of the threshold voltage can be applied, and a constant current can be generated stably. Therefore, by applying this circuit to the bias voltage generation circuit, a bias voltage for stably removing the influence of the threshold voltage can be generated based on a constant current that does not depend on the power supply voltage. Accordingly, the dependency of the bias voltage on the power supply voltage can be eliminated.
[0081]
In particular, when this semiconductor device is applied to an image display device, even when a circuit is configured using thin film transistors with large variations in threshold voltage, a bias voltage is stably generated and an output signal is output accordingly. The image display element can be driven by generating.
[0082]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Embodiment 1]
FIG. 1 shows a configuration of a bias voltage generating circuit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a configuration of a bias voltage generation circuit BPK that generates a bias voltage VP. Bias voltage VP generated by bias voltage generation circuit BPK is applied to the gate of P channel MOS transistor PQ1 included in
[0083]
Similar to the configuration shown in FIG. 26,
[0084]
An output signal OUT0 is output from a connection point between the MOS transistor PQ1 and the MOS transistor NQ1.
[0085]
Bias voltage generation circuit BPK includes P
[0086]
Bias voltage generation circuit BPK further includes a constant
[0087]
It is assumed that the driving current of constant
[0088]
Under this condition, the bias voltage VP is expressed by the following equation (9).
VP = VCC-2 · | VTP | −r · I (9)
Consider a case where the input signal IN2 is at the voltage level of the voltage VP + | VTP | and a voltage is applied between the gate and source of the MOS transistor PQ0. In this case, the voltage VGS0 applied between the gate and source of the MOS transistor PQ is represented by the following equation (10) from the previous equation (3).
[0089]
VGS0 = VP + | VTP | -VCC
= VCC-2 · | VTP | −r · I + | VTP | −VCC
=-| VTP | -r · I (10)
In this case, the drive current I0 of the MOS transistor PQ0 is expressed by the following equation from the above equation (2).
[0090]
I0∝ (-| VTP | -r · I-VTP)
Since threshold voltage VTP is a negative value, the threshold voltage component is canceled out in the above equation, and current I0 is expressed by the following equation (11).
[0091]
I0∝ (−r · I) (11)
As shown in the above equation (11), the drive current of the MOS transistor PQ0 is determined by the resistance value r of the
[0092]
In the case of a MOS semiconductor circuit device, the
[0093]
A power supply voltage VCC is applied to the power supply node. However, the bias voltage generation circuit BPK only needs to be at a voltage level that operates stably, and a high voltage may be used instead of the power supply voltage VCC. The same applies to the ground voltage VSS.
[0094]
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the bias voltage VP is configured to include the threshold voltage component of the output drive transistor included in the
[0095]
[Embodiment 2]
FIG. 2 shows a configuration of a bias voltage generating circuit according to the second embodiment of the present invention. The bias voltage generation circuit BPK shown in FIG. 2 uses a current mirror circuit as the constant
[0096]
That is, bias voltage circuit BPK shown in FIG. 2 is connected between a power supply node receiving power supply voltage VCC and resistance element 109 connected between
[0097]
The resistance element 109 has a resistance value R. The magnitude of the current flowing through resistance element 109 and
[0098]
When resistance value R of resistance element 109 is sufficiently larger than the channel resistance of
[0099]
In the component r · I included in the bias voltage VP, the current I can be approximated by VCC / R. In this case, the
[0100]
As described above, according to the second embodiment of the present invention, a current mirror circuit is used to generate a constant current, and the constant current component includes a component that manipulates a resistance component included in the bias voltage. Thus, the bias voltage VP having a constant voltage level can be generated stably without being affected by the resistance variation of the resistance element during manufacturing.
[0101]
[Embodiment 3]
FIG. 3 shows a structure of a bias voltage generating circuit according to the third embodiment of the present invention. The bias voltage generation circuit BPK shown in FIG. 3 differs from the configuration of the bias voltage generation circuit BPK shown in FIG. 2 in the configuration of the circuit that generates the gate voltage of the N-
[0102]
That is, in bias voltage generation circuit BPK shown in FIG. 3, gate voltage generation circuit includes
[0103]
[0104]
The gate of
The other configuration of the bias voltage generating circuit shown in FIG. 3 is the same as the configuration of the bias voltage generating circuit shown in FIG. 2. Corresponding portions are allotted with the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0105]
In the configuration of the bias voltage generation circuit BPK, the resistance value R1 of the
[0106]
[0107]
A voltage lower than power supply voltage VCC is transmitted to
[0108]
On the contrary, when the voltage level of the
[0109]
Therefore, by appropriately selecting the sizes of these
[0110]
Since the voltage level of
[0111]
A configuration in which a constant voltage that does not depend on the power supply voltage VCC is applied to the gate of the
[0112]
[Embodiment 4]
4 schematically shows a configuration of a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. In the configuration of the semiconductor device shown in FIG. 4, the operating current of functional circuit 1A receiving voltage V3 as one operating power supply voltage is determined by driving current I3 of
[0113]
In order to drive
[0114]
In the configuration of the gate voltage generating circuit shown in FIG. 4, voltages V1 and V2 are used in place of power supply voltage VCC and ground voltage VSS, respectively. The voltage V1 may be at the same voltage level as the one operation power supply voltage V3 of the functional circuit 1A. The voltage V2 may be the ground voltage VSS. The voltage level of the voltage V2 can be set to an arbitrary value as long as it is a voltage level that can generate a constant voltage at the
[0115]
In the case of a MOS integrated circuit device,
[0116]
In the gate voltage generating circuit shown in FIG. 4, current I2 flowing through
[0117]
I2 = β112 · (V114−V115−VTN)2/ 2
= Β113 · (V118−V2−VTN)2/ 2 ... (12)
Voltages V114, V115, and V118 indicate the voltages of
[0118]
When
[0119]
V114-V115-VTN = V118-V2-VTN
V114-V115 = V118-V2
V114−V118 = V115−V2 (13)
This equation (13) shows that the gate-source voltages of the
[0120]
In the case of operating in the saturation region, the
[0121]
The same applies to the
Therefore, by utilizing the circuit configuration shown in FIG. 4, when functional circuit 1A is, for example, a current mirror type differential amplifier circuit using a constant current source, a differential amplification operation can be performed stably.
[0122]
By setting voltages V2 and V1 to appropriate voltage levels,
[0123]
As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, a voltage independent of the power supply voltage is generated using the negative feedback of the MOS transistor, and a constant current is generated using this voltage. Thus, the functional circuit can be stably operated without being affected by the fluctuations of.
[0124]
[Embodiment 5]
FIG. 5 shows a structure of a bias voltage generating circuit according to the fifth embodiment of the present invention. The bias voltage generation circuit BPK shown in FIG. 5 includes diode-connected P-
[0125]
Since resistance value R of
[0126]
Therefore, in the case of the bias voltage generating circuit shown in FIG. 5, the bias voltage VP is expressed by the following equation (14).
[0127]
VP = VCC-3 · | VTP | (14)
In this case, in the
[0128]
VGS0 = VP + | VTP | -VCC
= -2 · | VTP | (15)
Therefore, in this case, the drive current I0 of the MOS transistor PQ0 of the
[0129]
I∝ (− | VTP |) (16)
Therefore, as shown in the above equation (16), in the
[0130]
In the bias
[0131]
[Embodiment 6]
FIG. 6 shows a configuration of bias voltage generation circuit BNK according to the sixth embodiment of the present invention. The bias voltage generation circuit BNK shown in FIG. 6 generates a bias voltage VN to be applied to the gate of the N channel MOS transistor NQ1 included in the
[0132]
In FIG. 6, the bias voltage generation circuit BNK includes a constant
[0133]
The constant
[0134]
In bias voltage generating circuit BNK shown in FIG. 6,
[0135]
Therefore, bias voltage VN from
[0136]
VN = 2 · VTN + r · I (17)
When input signal IN1 is voltage VN-VTN, gate-source voltage VGSN0 of N-channel MOS transistor NQ0 is expressed by the following equation (18).
[0137]
VGSN0 = VN-VTN
= R · I + VTN (18)
Therefore, the current In driven by the MOS transistor NQ0 is expressed by the following equation (19).
[0138]
In∝ (r · I + VTN−VTN)
∝ (r · I) (19)
Therefore, when the output signal is driven to the ground voltage level by MOS transistor NQ0, the output node can be driven with a constant current.
[0139]
In
[0140]
As described above, according to the sixth embodiment of the present invention, bias voltage VN is generated using a transistor that generates a threshold voltage having the same magnitude as the MOS transistor of the functional circuit of the output section as bias voltage VN. Therefore, the bias voltage VN that can drive the output signal stably can be generated without increasing the number of manufacturing steps.
[0141]
[Embodiment 7]
FIG. 7 shows a structure of bias voltage generation circuit BNK according to the seventh embodiment of the present invention. In the bias voltage generation circuit BNK shown in FIG. 7, a current mirror circuit is used as the constant
[0142]
That is, bias voltage generation circuit BNK is connected between a power supply node and
[0143]
The other configuration of the bias voltage generating circuit BNK shown in FIG. 7 is the same as the configuration of the bias voltage generating circuit shown in FIG. 6, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0144]
In the configuration of bias voltage generation circuit BNK shown in FIG. 7, a current determined by the channel conductance (ON resistance) of
[0145]
I = M · VCC / (R + Rcha) (20)
Here, Rcha is the channel resistance of the
[0146]
VN = M · VCC · r / (R + Rcha) + 2 · VTN (21)
Therefore, the drive current Inq0 of the MOS transistor NQ0 included in the
[0147]
Inq0∝M · r · VCC / (Rcha + R) (22)
When the Miller coefficient M is 1 and the channel resistance Rcha can be ignored as compared with the resistance value R of the
[0148]
Therefore, even in this case, the driving current of MOS transistor MQ0 can be set stably without being affected by variations in threshold voltage VTN of the MOS transistor. Further, in order to generate bias voltage VN, it is possible to generate a bias voltage using an N channel MOS transistor having the same threshold voltage as N channel MOS transistors NQ1 and NQ0 included in
[0149]
[Embodiment 8]
FIG. 8 shows a configuration of bias voltage generating circuit BNK according to the eighth embodiment of the present invention. In bias voltage generating circuit BNK shown in FIG. 8, the following constant current source circuit is provided as a circuit for supplying constant current I to
[0150]
That is, in FIG. 8, the constant current source circuit is connected between a power supply node and
[0151]
[0152]
[0153]
When power supply voltage VCC varies and the amount of current flowing through
[0154]
On the other hand, when the voltage level of
[0155]
[0156]
V218 = VCC− | VTP | (23)
The voltage at
[0157]
V214 = V218- | VTP |
= VCC-2 · | VTP | (24)
[0158]
V215 = V214 + | VTP |
= VCC- | VTP | (25)
[0159]
When
[0160]
[Embodiment 9]
The constant current source shown in FIG. 8 can be applied to a general semiconductor circuit device. In the semiconductor circuit device shown in FIG. 9, the circuit that generates the constant current I shown in FIG. 8 is used as a current source for the functional circuit 1B. In the constant current generating circuit shown in FIG. 9, voltage V1 is used instead of power supply voltage VCC, and voltage V2 is used instead of ground voltage VSS. Functional circuit 1B receives low-side power supply voltage V3 as one power supply voltage, and also receives current I3 from
[0161]
The voltage V3 applied to the functional circuit 1B may be the voltage V2. This voltage V2 may also be the ground voltage VSS.
[0162]
This constant current generating circuit has the same circuit configuration as that of the constant current generating circuit shown in FIG. 8. Corresponding portions are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The voltages V1 and V2 may be any power supply voltage level at which the
[0163]
In this constant current generating circuit,
[0164]
In the constant current generating circuit shown in FIG. 9, I2 flowing through
[0165]
I2 = β212 · (V214−V215−VTP)2/ 2
= Β213 · (V213−V1−VTP)2/ 2 ... (26)
Here, β212 and β213 indicate the conduction coefficients of
[0166]
When
[0167]
V214−V215−VTN = V218−V1−VTP
V214−V215 = V218−V1
V214−V218 = V215−V1 (27)
The above equation (27) indicates that the gate-source voltages of the
[0168]
Therefore, as long as voltages V1, V2, and V3 satisfy the condition that
[0169]
[Embodiment 10]
FIG. 10 shows a configuration of bias voltage generation circuit BNK according to the tenth embodiment of the present invention. The bias voltage generation circuit BNK shown in FIG. 10 includes a
[0170]
The voltage VA may be a voltage level at which the
[0171]
In bias voltage generation circuit BNK shown in FIG. 10, resistance value Rb of
[0172]
Inq0∝ (VN−VTN−VTN) ∝ (VTN) (28)
Therefore, in this case, drive current Inq0 of MOS transistor NQ0 is affected by variations in threshold voltage VTN. However, only diode-connected N-
[0173]
[Embodiment 11]
FIG. 11 schematically shows a whole structure of the semiconductor device according to the eleventh embodiment of the present invention. In the eleventh embodiment, bias voltage generation circuits BPK and BNK and
[0174]
That is, the semiconductor device according to the eleventh embodiment of the present invention includes a
[0175]
The
[0176]
In the
[0177]
FIG. 12 is a diagram schematically showing a configuration of a portion related to one display pixel element PX of the
[0178]
The
[0179]
In the
[0180]
FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of the image display element PX shown in FIG. In FIG. 13, an image display element PX includes an N-
[0181]
The
[0182]
[0183]
The gate lines 44 are sequentially driven to a selected state in a predetermined sequence. When the
[0184]
After the writing of the image signal to
[0185]
The polarization state of the liquid
[0186]
Since the high voltage VH and the negative voltage VL are supplied to the image display element PX, a voltage higher than the power supply voltage VDD level is supplied to the gate
[0187]
[0188]
FIG. 14 shows a configuration of
[0189]
The input timing signal TINi determines the timing for driving the gate line and the active state period of the gate line, and is activated according to the vertical scanning sequence of the gate line.
[0190]
CMOS inverter IV1 is connected between a
[0191]
The power supply voltage VDD may be an external power supply voltage VCC as in the previous embodiment, or may be an internally generated power supply voltage. Here, in order to indicate that the power supply voltage is used as the operation power supply voltage in the image display device, the power supply voltage is indicated by the reference symbol VDD.
[0192]
[0193]
In these
[0194]
FIG. 15 shows a configuration of
[0195]
That is, the
[0196]
[0197]
The bias voltage Vn is at a voltage level different from the bias voltage VN. This is because in the
[0198]
VN = Vn + | VL |
Bias voltage Vn is at a voltage level higher than the threshold voltage of
[0199]
In
[0200]
[0201]
In
[0202]
A signal IN2 for the gate
[0203]
Bias voltages VP and VN are similarly applied to gate
[0204]
Gate
[0205]
All the MOS transistors in the
[0206]
In the gate
[0207]
FIG. 16 schematically shows a configuration of a circuit for generating bias voltage VP shown in FIG. In FIG. 16, the bias voltage generation circuit BPK generates the bias voltage VP from the high voltage VP at the
[0208]
FIG. 17 schematically shows a configuration of a circuit for generating bias voltage VN shown in FIG. In FIG. 17, the bias voltage generation circuit BNK generates a bias voltage VN from the high voltage VH at the
[0209]
FIG. 18 schematically shows a configuration of a circuit for generating bias voltage Vn shown in FIG. The bias voltage generation circuit BNKn generates a bias voltage Vn from the high voltage VH at the
[0210]
FIG. 19 is a signal waveform diagram representing operations of
[0211]
When the input timing signal TINi (see FIG. 14) rises from the ground voltage VSS level to the power supply voltage VDDL level, the input signal TIN similarly rises from the ground voltage VSS to the power supply voltage VDDL level. On the other hand, complementary input signal ZTIN falls from power supply voltage VDD level to ground voltage VSS level.
[0212]
In this case, in the
[0213]
[0214]
When the voltage level of
[0215]
On the other hand, when the voltage level of the
[0216]
That is, when the voltage at
[0217]
VH−VP> | VTP |. Therefore,
[0218]
The voltage level of the
[0219]
[0220]
V28a = Vn-VTN
Therefore, in the
[0221]
When the voltage level of the
[0222]
When MOS transistor 12b is turned on, the voltage level of
[0223]
[0224]
When the voltage level of
[0225]
On the other hand, since bias voltage VP is lower than voltage VH− | VTP |,
[0226]
Therefore, also in the
[0227]
Further, the voltage level of the internal signal is set using the source follower operation of the MOS transistor, and a signal having an amplitude corresponding to the bias voltage can be generated accurately.
[0228]
In this state, the voltage level of
[0229]
When input signal TIN drops from power supply voltage VDD to ground voltage VSS,
[0230]
Therefore, in the gate
[0231]
In the
[0232]
Further, by operating a MOS transistor receiving the bias voltages VP and VN in the source follower mode, a signal having a voltage level corresponding to the voltage levels of the bias voltages VP and VN is accurately generated and supplied to the gate
[0233]
Also in the gate
[0234]
As a result, in the image display device, even when the gate line driving circuit is configured using thin film transistors (TFTs), the
[0235]
In
[0236]
[Embodiment 12]
FIG. 20 shows a structure of
[0237]
The gate
[0238]
Level shift circuit 312C is connected between a
[0239]
The bias voltage Vp is a voltage lower than the power supply voltage VDD. In level shift circuits 312C and 312D, since the voltage level of the high-side power supply voltage is different, bias voltage Vp is used. Bias voltage Vp is a voltage level at which
[0240]
VP = Vp + (VH-VDD)
In this level shift circuit 312C,
[0241]
The MOS transistor receiving the bias voltages Vp and VN functions as an amplitude limiting transistor, and also functions as an electric field relaxation transistor for the gate insulating film of the MOS transistor.
[0242]
Level shift circuit 312D is connected between
[0243]
In level shift circuit 312D,
[0244]
Also in this level shift circuit 312D, the MOS transistors that receive the bias voltages VP and VN function as amplitude limiting transistors, and accurately generate small amplitude signals according to the voltage levels of the bias voltages VP and VN, This can be applied to the gate
[0245]
Gate
[0246]
FIG. 21 schematically shows a configuration of a circuit for generating bias voltage Vp shown in FIG. In FIG. 21, the bias voltage generation circuit BPKp generates the bias voltage Vp according to the power supply voltage VDD of the
[0247]
Bias voltages VP and VN are generated from structures similar to bias voltage generation circuits BPK and VNK shown in FIGS. 16 and 17, respectively. The bias voltage VP is generated based on the high voltage VH, and the bias voltage VN is generated based on the negative voltage VL. The bias voltage VN is at a voltage level lower than the power supply voltage VDD.
[0248]
FIG. 22 is a signal waveform diagram representing operations of
[0249]
The bias voltage Vp satisfies the relationship of the following equation (29).
Vp = VP− (VH−VDD) (29)
Consider a case where the input signal TIN rises from the ground potential VSS to the power supply voltage VDD level. In the level shift circuit 312C, the
[0250]
The voltage level of
[0251]
Since bias voltage VN is lower than power supply voltage VDD, MOS transistor 22c operates in the source follower mode, and the voltage level of
[0252]
[0253]
Therefore, in this state, the voltage applied to the gate insulating film of each MOS transistor is at the maximum VL−VN + VTN or Vp−VDD level, and the voltage applied to the gate insulating film can be made sufficiently low. .
[0254]
Further, the amplitude of the voltage change at the node can be limited internally, and a small amplitude signal can be accurately generated and applied to the next level shift circuit 312D.
[0255]
In level shift circuit 312D, MOS transistor 14d is turned on by receiving voltage VN-VTN of
[0256]
When
[0257]
High voltage VH is at a voltage level higher than the absolute value of threshold voltage VTP by at least twice as high as bias voltage VP,
[0258]
In
[0259]
For the remaining MOS transistors, the voltage amplitude of the internal node is limited by the source follower operation of the MOS transistor, and only a voltage sufficiently lower than the high voltage VH is applied. The reliability of the gate insulating film is We can guarantee it enough.
[0260]
Further, by the source follower operation of the MOS transistor that receives the bias voltages VP and VN at the gates, it is possible to generate a small amplitude signal corresponding to the voltage level of the bias voltage accurately for the high side signal and the low side signal.
[0261]
In gate
[0262]
On the other hand, when the input signal TIN is discharged to the ground potential VSS level, the
[0263]
In level shift circuit 312D,
[0264]
The negative voltage of
[0265]
In this state, the voltage level of
[0266]
Therefore, in gate
[0267]
Also in this case, the voltage applied to the gate insulating film can be sufficiently relaxed for any MOS transistor. Further, the voltage level of the
[0268]
The bias voltages VP and VN are set to voltage levels such that the threshold voltages of the
[0269]
Further, an input signal to the gate line driving circuit is generated based on the bias voltages VP and VN by using the source follower operation of the MOS transistor, and a small amplitude signal corresponding to the voltage level of the bias voltages VP and VN accurately. Can be generated and supplied to the gate line driver circuit. Therefore, even when the gate
[0270]
As described above, according to the twelfth embodiment of the present invention, the gate line driving circuit of the image display device is configured to relax the voltage applied to the gate insulating film of the output driving circuit by the bias voltage. Therefore, even when the gate line is driven using the high voltage VH and the negative voltage VL, the voltage applied to the gate of the MOS transistor can be relaxed with certainty. In addition, the source follower operation of the transistor that receives the bias voltage at the gate is used to accurately generate two types of small amplitude signals (high side input signal and low side input signal) according to the voltage level of the bias voltage. Then, it can be given to the gate line driver circuit.
[0271]
In particular, the MOS transistors of these components are thin film transistors (in the case where they are constituted by TFTs, even when their threshold voltages vary greatly, without being affected by variations in threshold voltages, The
[0272]
[Embodiment 13]
FIG. 23 schematically shows a structure of a main portion of the semiconductor device according to the thirteenth embodiment of the present invention. In the configuration shown in FIG. 23, an electroluminescence light emitting element that emits light when current flows is used as the image display element PX.
[0273]
That is, the image display element PX is selectively turned on in accordance with the drive signal DV on the
[0274]
[0275]
When the
[0276]
For
[0277]
High voltage VH, negative voltage VL, and ground potential VSS are supplied to
[0278]
As shown in FIG. 23, even when an electroluminescence light emitting element 54 is used as an image display element PX, a gate is used to prevent leakage of the signal potential of the
[0279]
Note that the
[0280]
[Embodiment 14]
FIG. 24 schematically shows a structure of bias voltage generating circuit BPK according to the fourteenth embodiment of the present invention. 24 is connected in series between a power supply node receiving power supply voltage VCC and
[0281]
Step-down
[0282]
When a resistance element is used as the step-down
[0283]
When a diode-connected MOS transistor is used as the step-down
[0284]
The case where the resistance element is used as step-down
[0285]
Therefore, if an element that causes a voltage drop of a constant voltage Vr is used between
[0286]
FIG. 25 schematically shows a structure of bias voltage generating circuit BNK according to the fourteenth embodiment of the present invention. In bias voltage generating circuit BNK shown in FIG. 25, N-
[0287]
As boosting
[0288]
24 and 25, when these bias voltage generation circuits BPK and BNK are used in the image display device, the MOS transistor is formed of a thin film transistor (TFT).
[0289]
In bias voltage generation circuits BPK and BNK, high voltage VH and negative voltage VL may be used instead of power supply voltage VCC and ground voltage VSS, respectively.
[0290]
As described above, according to the fourteenth embodiment of the present invention, a MOS transistor having the same conductivity type as that of the drive transistor included in the functional circuit is diode-connected, and a constant is provided between the diode-connected MOS transistor and the output node. The level conversion element that causes the voltage shift is utilized, and the functional circuit can be driven by generating a bias voltage with low current consumption. Further, when the level-shifted voltage amount is at a special voltage level with the threshold voltage of the MOS transistor, the influence of the threshold voltage of the driving transistor of the functional circuit on the output signal drive can be suppressed.
[0291]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in order to ensure the reliability of the gate insulating film, an output signal is generated in accordance with the input signal through the transistor that receives the bias voltage at the gate, and the amplitude of the input signal is changed to the bias voltage. In this configuration, the bias voltage is generated so as to suppress the influence of the threshold voltage of the output transistor on the output signal, and the output signal can be stably output without being affected by variations in the threshold voltage. The circuit operation margin can be secured sufficiently, and the circuit operation can be stabilized. Thereby, signal processing can be speeded up.
[0292]
That is, for the functional circuit in which the first to fourth field effect transistors are connected in series between the first and second power supply nodes, the voltage level is set based on the voltages of the first and second power supply nodes, respectively. A bias voltage generation circuit that generates different first and second bias voltages and applies them to the gates of the second and third field effect transistors is provided. The bias voltage generation circuit is connected to the first and fourth field effect transistors. The first and second bias voltages are generated so as to suppress the influence of at least one threshold voltage on the output signal. Even if the threshold voltage varies, the influence is suppressed. The output signal can be generated stably.
[0293]
A bias voltage generation circuit includes a plurality of field effect transistors, each of which is diode-connected, and a voltage level conversion element that generates a predetermined voltage difference between the field effect transistor and the output node of the first bias voltage. By configuring, it is possible to easily generate a bias voltage that can suppress the influence of the threshold voltage of the first transistor of the functional circuit.
[0294]
Also, the bias voltage generating circuit has a plurality of MOS transistors, each of which is diode-connected, connected in series to the node receiving the second voltage, and between these MOS transistors and the output node of the second bias voltage. In addition, by configuring with a level conversion element that generates a predetermined voltage difference, the influence of the threshold voltage of the fourth transistor on the output signal can be easily suppressed, and the output signal can be output quickly and stably. Can be generated.
[0299]
Further, by providing a constant current circuit for supplying a constant current to the resistance element, a voltage difference of a desired magnitude can be easily generated accurately by the resistance element.
[0300]
Further, the bias voltage generating circuit has a MOS transistor and a resistor element connected in series between the node receiving the first voltage and the first bias voltage output node, respectively, and the first bias voltage output node. In addition, the first bias voltage having a desired voltage level including the threshold voltage as a voltage component can be easily generated by coupling the constant current source.
[0301]
Further, the bias voltage generating circuit has a MOS transistor and a resistor element connected in series between the node receiving the second voltage and the second bias voltage output node, respectively, and the second bias voltage output node. In addition, by coupling the constant current source, the second bias voltage having a desired voltage level including the threshold voltage as a voltage component can be easily generated.
[0302]
Further, as this bias voltage generation circuit, a constant current generation circuit using feedback of a MOS transistor is used, so that a stable and stable threshold voltage component independent of the first or second voltage level is included as a voltage component. A bias voltage can be generated.
[0303]
The complementary signal pair is differentially amplified to generate a complementary output signal, and the complementary output signal is further differentially amplified to be supplied to the gates of the first and fourth transistors. By generating the second drive signal and driving the image display element in accordance with the output signal of the functional circuit, the image display element can be stably and rapidly operated even when a thin film transistor having a large variation in threshold voltage is used. Can be driven.
[0304]
In addition, the amplifier circuit that generates these complementary signals includes a differential stage, a latch stage that latches the output signal of the differential stage, and an amplitude limit that limits the amplitude of the signal between the differential stage and the latch stage. By constituting with the circuit stage, it is possible to easily generate a differentially amplified and level-converted signal without impairing the reliability of the gate insulating film. Accordingly, the image display element can be stably driven with a signal having a large amplitude.
[0305]
In particular, when this amplitude limiting circuit stage is configured by a MOS transistor that operates in a source follower mode that receives a bias voltage at the gate, a functional circuit is generated by generating a small-amplitude signal that is accurately amplitude-limited based on the bias voltage. Can be driven. As this amplitude limiting stage, both the high side and the low side receive it, thereby generating a small-amplitude signal whose characteristics are amplitude-limited based on the first and second bias voltages, respectively, and driving the functional circuit. Can do. By limiting the amplitude of the input signal to the functional circuit during the level conversion processing operation, the area occupied by the circuit can be reduced, and a small-amplitude signal can be generated at high speed and provided to the functional circuit.
[0306]
Further, when the image display element is a liquid crystal display element or an electroluminescence element, the gate line can be driven stably and at high speed even when the components of the bias voltage generation circuit and the functional circuit are formed of thin film transistors. .
[0307]
In addition, even when the field effect transistor is formed of a thin film transistor and the variation in threshold voltage is large, it is possible to suppress the influence of the variation in threshold voltage and generate an output signal stably.
[0308]
When the first voltage is higher than the second voltage, the output signal can be driven to the H level stably and at high speed when the output signal is driven to the H level.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a configuration of a bias voltage generating circuit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a configuration of a bias voltage generating circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a configuration of a bias voltage generating circuit according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows a configuration of a constant current circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a structure of a bias voltage generation circuit according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows a configuration of a bias voltage generating circuit according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows a configuration of a bias voltage generating circuit according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 shows a structure of a bias voltage generating circuit according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 shows a structure of a constant current circuit according to the ninth embodiment of the present invention.
FIG. 10 shows a structure of a bias voltage generating circuit according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 11 schematically shows a structure of a main portion of a semiconductor device according to an eleventh embodiment of the present invention.
12 is a diagram schematically showing a configuration of the gate driver shown in FIG. 11. FIG.
13 is a diagram showing an example of the configuration of the image display element shown in FIG.
14 is a diagram showing a configuration of an input buffer circuit shown in FIG. 12. FIG.
15 is a diagram showing a configuration of a level conversion circuit shown in FIG. 12. FIG.
16 is a diagram schematically showing a configuration of a circuit for generating bias voltage VP shown in FIG. 15. FIG.
17 is a diagram schematically showing a configuration of a circuit for generating bias voltage VN shown in FIG.
18 is a diagram schematically showing a configuration of a circuit for generating bias voltage Vn shown in FIG. 15. FIG.
FIG. 19 is a signal waveform diagram representing an operation of the level conversion circuit shown in FIG. 15;
FIG. 20 shows a structure of a level conversion circuit according to a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a diagram schematically showing a configuration of a circuit that generates bias voltage Vp shown in FIG. 20;
22 is a signal waveform diagram representing an operation of the level conversion circuit shown in FIG. 20;
FIG. 23 schematically shows a structure of a main portion of a semiconductor device according to the thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 24 shows a structure of a bias voltage generating circuit according to the fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 25 shows a structure of another bias voltage generating circuit according to the fourteenth embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a diagram showing a configuration of a conventional output drive circuit.
27 is a diagram showing a relationship between a bias voltage and a power supply voltage shown in FIG.
FIG. 28 is a diagram showing input / output signal voltages when the output drive circuit shown in FIG. 26 outputs a high-level signal.
29 is a diagram showing input / output signal voltages when the output drive circuit shown in FIG. 26 outputs a low-level signal.
FIG. 30 is a diagram showing a configuration of a conventional bias voltage generating circuit.
[Explanation of symbols]
1 functional circuit, PQ0, PQ1 P channel MOS transistor, NQ0, NQ1 N channel MOS transistor, 101, 102 P channel MOS transistor, 103 resistance element, 100 constant current source, BPK, BNK bias voltage generation circuit, 108, 110 N channel MOS transistor, 109, 111 resistance element, 112, 113, 116 N channel MOS transistor, 117 resistance element, 120 P channel MOS transistor, 201, 202 N channel MOS transistor, 203 resistance element, 200 constant current source, 207, 208 P Channel MOS transistor, 209, 211, 217 resistance element, 213, 212, 216 P channel MOS transistor, 1A, 1B functional circuit, 220 N channel MOS transistor 222 resistor element, 300 display pixel matrix, 302 gate driver, 304 data driver, 310 input buffer circuit, 312 level conversion circuit, 312A, 312B, 312C, 312D level shift circuit, 314 gate line drive circuit, 50 liquid crystal display element, 11a , 11b, 12a, 12b, 19a, 19b, 20a, 20b, 40, 41 P-channel MOS transistors, 21a, 21b, 22a, 22b, 13a, 13b, 14a, 14b, 37, 42 N-channel MOS transistors, 11c, 12c , 12d, 19c, 19d, 20c, 20d P-channel MOS transistor, 21c, 21d, 22c, 22d, 13c, 13d, 14c, 14d N-channel MOS transistor, 54 electroluminescence Optical device, 350 buck device, 360 boosting device.
Claims (12)
前記第1および第2の電圧それぞれに基づいて電圧レベルの異なる第1および第2のバイアス電圧を発生して、それぞれ、前記第2および第3の電界効果トランジスタのゲートへ与えるバイアス電圧発生回路を備え、前記バイアス電圧発生回路は、前記第1および第4の電界効果トランジスタの少なくとも一方のしきい値電圧が前記機能回路の出力信号に対する影響を抑制するように前記第1および第2のバイアス電圧を生成し、
前記バイアス電圧発生回路は、
前記第1の電圧を受ける第1のノードと第2のノードの間に直列に接続されかつ各々がダイオード接続された複数の電界効果トランジスタと、
前記第2のノードと前記第1のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に接続され、前記第2のノードと前記出力ノードとの間に所定の電圧差を生じさせる電圧レベル変換素子とを備え、
前記レベル変換素子は、抵抗素子を備える、半導体装置。 A functional circuit that operates by receiving first and second voltages applied to the first and second power supply nodes, respectively, as an operation power supply voltage, and the functional circuit is interposed between the first and second power supply nodes; First, second, third and fourth field effect transistors connected in series, wherein the first and second field effect transistors are different in conductivity type from the third and fourth field effect transistors. ,
A bias voltage generating circuit for generating first and second bias voltages having different voltage levels based on the first and second voltages, respectively, and applying the first and second bias voltages to the gates of the second and third field effect transistors, respectively; And the bias voltage generation circuit includes the first and second bias voltages so that a threshold voltage of at least one of the first and fourth field effect transistors suppresses an influence on an output signal of the functional circuit. Produces
The bias voltage generation circuit includes:
A plurality of field effect transistors connected in series between each of a first node and a second node that receive the first voltage, each of which is diode-connected;
A voltage level conversion element connected between the second node and an output node that outputs the first bias voltage and causing a predetermined voltage difference between the second node and the output node; Prepared,
Said level conversion element Ru with a resistive element, semi-conductor devices.
前記第1および第2の電圧それぞれに基づいて電圧レベルの異なる第1および第2のバイアス電圧を発生して、それぞれ、前記第2および第3の電界効果トランジスタのゲートへ与えるバイアス電圧発生回路を備え、前記バイアス電圧発生回路は、前記第1および第4の電界効果トランジスタの少なくとも一方のしきい値電圧が前記機能回路の出力信号に対する影響を抑制するように前記第1および第2のバイアス電圧を生成し、
前記バイアス電圧発生回路は、
前記第2の電圧を受ける第1のノードと第2のノードの間に直列に接続されかつ各々がダイオード接続される複数の電界効果トランジスタと、
前記第2のノードと前記第2のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に接続され、前記第2のノードと前記出力ノードとの間に所定の大きさの電圧差を生じさせる電圧レベル変換素子とを備え、
前記レベル変換素子は、抵抗素子を備える、半導体装置。 A functional circuit that operates by receiving first and second voltages applied to the first and second power supply nodes, respectively, as an operation power supply voltage, and the functional circuit is interposed between the first and second power supply nodes; First, second, third and fourth field effect transistors connected in series, wherein the first and second field effect transistors are different in conductivity type from the third and fourth field effect transistors. ,
Bias voltage generating circuits for generating first and second bias voltages having different voltage levels based on the first and second voltages, respectively, and applying the first and second bias voltages to the gates of the second and third field effect transistors, respectively; And the bias voltage generation circuit includes the first and second bias voltages so that a threshold voltage of at least one of the first and fourth field effect transistors suppresses an influence on an output signal of the functional circuit. Produces
The bias voltage generation circuit includes:
A plurality of field effect transistors connected in series between a first node receiving the second voltage and a second node, each diode connected;
Voltage level conversion connected between the second node and an output node that outputs the second bias voltage, and causing a voltage difference of a predetermined magnitude between the second node and the output node With elements,
It said level conversion element, a resistor element, semi-conductor devices.
前記第1および第2の電圧それぞれに基づいて電圧レベルの異なる第1および第2のバイアス電圧を発生して、それぞれ、前記第2および第3の電界効果トランジスタのゲートへ与えるバイアス電圧発生回路を備え、前記バイアス電圧発生回路は、前記第1および第4の電界効果トランジスタの少なくとも一方のしきい値電圧が前記機能回路の出力信号に対する影響を抑制するように前記第1および第2のバイアス電圧を生成し
前記バイアス電圧発生回路は、
前記第1の電圧を受けるノードと前記第1のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に直列に接続される各々がダイオード接続されかつ各々が前記第2のトランジスタと同一導電型の複数の電界効果トランジスタおよび抵抗素子の直列体と、
前記出力ノードと前記第2の電圧を受けるノードとの間に結合される一定の大きさの電流を駆動する定電流源とを備える、半導体装置。 A functional circuit that operates by receiving first and second voltages applied to the first and second power supply nodes, respectively, as an operation power supply voltage, and the functional circuit is interposed between the first and second power supply nodes; First, second, third and fourth field effect transistors connected in series, wherein the first and second field effect transistors are different in conductivity type from the third and fourth field effect transistors. ,
Bias voltage generating circuits for generating first and second bias voltages having different voltage levels based on the first and second voltages, respectively, and applying the first and second bias voltages to the gates of the second and third field effect transistors, respectively; And the bias voltage generation circuit includes the first and second bias voltages so that a threshold voltage of at least one of the first and fourth field effect transistors suppresses an influence on an output signal of the functional circuit. And the bias voltage generation circuit generates
Plurality, each connected in series are each One or a diode-connected of said second transistor of the same conductivity type between the output node for outputting the first bias voltage and the node receiving the first voltage A series body of a field effect transistor and a resistance element of
And a constant current source for driving the constant magnitude of the current is coupled between a node receiving said second voltage and said output node, semiconductors devices.
前記第1および第2の電圧それぞれに基づいて電圧レベルの異なる第1および第2のバイアス電圧を発生して、それぞれ、前記第2および第3の電界効果トランジスタのゲートへ与えるバイアス電圧発生回路を備え、前記バイアス電圧発生回路は、前記第1および第4の電界効果トランジスタの少なくとも一方のしきい値電圧が前記機能回路の出力信号に対する影響を抑制するように前記第1および第2のバイアス電圧を生成し、
前記バイアス電圧発生回路は、
前記第2の電圧を受けるノードと前記第2のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に直列に接続される各々がダイオード接続されかつ各々が前記第3のトランジスタと同一導電型の複数の電界効果トランジスタおよび抵抗素子の直列体と、
前記出力ノードと前記第1の電圧を受けるノードとの間に結合されて一定の大きさの電流を駆動する定電流源とを備える、半導体装置。 A functional circuit that operates by receiving first and second voltages applied to the first and second power supply nodes, respectively, as an operation power supply voltage, and the functional circuit is interposed between the first and second power supply nodes; First, second, third and fourth field effect transistors connected in series, wherein the first and second field effect transistors are different in conductivity type from the third and fourth field effect transistors. ,
A bias voltage generating circuit for generating first and second bias voltages having different voltage levels based on the first and second voltages, respectively, and applying the first and second bias voltages to the gates of the second and third field effect transistors, respectively; And the bias voltage generation circuit includes the first and second bias voltages so that a threshold voltage of at least one of the first and fourth field effect transistors suppresses an influence on an output signal of the functional circuit. Produces
The bias voltage generation circuit includes:
A plurality of electric fields each connected in series between a node receiving the second voltage and an output node outputting the second bias voltage are diode-connected and each has the same conductivity type as the third transistor. A series body of an effect transistor and a resistance element;
And a constant current source for driving the constant magnitude of the current is coupled between a node receiving said and said output node first voltage, semiconductors devices.
前記第1および第2の電圧それぞれに基づいて電圧レベルの異なる第1および第2のバイアス電圧を発生して、それぞれ、前記第2および第3の電界効果トランジスタのゲートへ与えるバイアス電圧発生回路を備え、前記バイアス電圧発生回路は、前記第1および第4の電界効果トランジスタの少なくとも一方のしきい値電圧が前記機能回路の出力信号に対する影響を抑制するように前記第1および第2のバイアス電圧を生成し、
前記バイアス電圧発生回路は、
前記第1の電圧を受けるノードと前記第1のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に直列に接続される、各々がダイオード接続された複数の電界効果トランジスタおよび抵抗素子の直列体と、
前記出力ノードと前記第2の電圧を受けるノードとの間に結合されて一定の大きさの電流を駆動する電流源トランジスタと、
前記第1の電圧を受ける内部電源ノードと第1の内部ノードとの間に接続される第1の抵抗素子と、
前記第1の抵抗素子と前記電流源トランジスタのゲートとの間に接続されかつ前記第1の内部ノードにゲートが接続される、前記電流源トランジスタと同一導電型の第1の基準トランジスタと、
前記内部電源ノードと第2の内部ノードとの間に接続されかつそのゲートが前記第1の内部ノードに接続される、前記電流源トランジスタと同一導電型の第2の基準トランジスタと、
前記電流源トランジスタのゲートと前記第2の電圧を受けるノードとの間に接続されかつそのゲートが前記第2の内部ノードに接続される、前記電流源トランジスタと同一導電型の第3の基準トランジスタと、
前記第2の内部ノードと前記第2の電圧を受けるノードとの間に接続される第2の抵抗素子を含む、半導体装置。 A functional circuit that operates by receiving first and second voltages applied to the first and second power supply nodes, respectively, as an operation power supply voltage, and the functional circuit is interposed between the first and second power supply nodes; First, second, third and fourth field effect transistors connected in series, wherein the first and second field effect transistors are different in conductivity type from the third and fourth field effect transistors. ,
A bias voltage generating circuit for generating first and second bias voltages having different voltage levels based on the first and second voltages, respectively, and applying the first and second bias voltages to the gates of the second and third field effect transistors, respectively; And the bias voltage generation circuit includes the first and second bias voltages so that a threshold voltage of at least one of the first and fourth field effect transistors suppresses an influence on an output signal of the functional circuit. Produces
The bias voltage generation circuit includes:
A series body of a plurality of field-effect transistors and resistor elements each connected in diodes, connected in series between a node receiving the first voltage and an output node outputting the first bias voltage;
A current source transistor coupled between the output node and a node receiving the second voltage to drive a constant magnitude current;
A first resistance element connected between an internal power supply node that receives the first voltage and a first internal node;
A first reference transistor of the same conductivity type as the current source transistor, connected between the first resistance element and the gate of the current source transistor and having a gate connected to the first internal node;
A second reference transistor of the same conductivity type as the current source transistor, connected between the internal power supply node and a second internal node and having its gate connected to the first internal node;
A third reference transistor of the same conductivity type as the current source transistor, connected between the gate of the current source transistor and a node receiving the second voltage, and having the gate connected to the second internal node. When,
Including a second resistive element connected between a node receiving said second voltage and said second internal node, semiconductors devices.
前記第1および第2の電圧それぞれに基づいて電圧レベルの異なる第1および第2のバイアス電圧を発生して、それぞれ、前記第2および第3の電界効果トランジスタのゲートへ与えるバイアス電圧発生回路を備え、前記バイアス電圧発生回路は、前記第1および第4の電界効果トランジスタの少なくとも一方のしきい値電圧が前記機能回路の出力信号に対する影響を抑制するように前記第1および第2のバイアス電圧を生成し、
前記バイアス電圧発生回路は、
前記第2の電圧を受けるノードと前記第2のバイアス電圧を出力する出力ノードとの間に直列接続される各々がダイオード接続された複数の電界効果トランジスタおよび抵抗素子の直列体と、
前記出力ノードと前記第1の電圧を受けるノードとの間に結合されて一定の大きさの電流を駆動する電流源トランジスタと、
前記第2の電圧を受ける内部電源ノードと第1の内部ノードとの間に接続される第1の抵抗素子と、
前記第1の抵抗素子と前記電流源トランジスタのゲートとの間に接続されかつ前記第1の内部ノードにそのゲートが接続される、前記電流源トランジスタと同一導電型の第1の基準トランジスタと、
前記内部電源ノードと第2の内部ノードとの間に接続されかつそのゲートが前記第1の内部ノードに接続される、前記電流源トランジスタと同一導電型の第2の基準トランジスタと、
前記電流源トランジスタのゲートと前記第1の電圧を受けるノードとの間に接続され、かつそのゲートが前記第2の内部ノードに接続される、前記電流源トランジスタと同一導電型の第3の基準トランジスタと、
前記第2の内部ノードと前記第2の電圧を受けるノードとの間に接続される第2の抵抗素子とを含む、半導体装置。 A functional circuit that operates by receiving first and second voltages applied to the first and second power supply nodes, respectively, as an operation power supply voltage, and the functional circuit is interposed between the first and second power supply nodes; First, second, third and fourth field effect transistors connected in series, wherein the first and second field effect transistors are different in conductivity type from the third and fourth field effect transistors. ,
A bias voltage generating circuit for generating first and second bias voltages having different voltage levels based on the first and second voltages, respectively, and applying the first and second bias voltages to the gates of the second and third field effect transistors, respectively; And the bias voltage generation circuit includes the first and second bias voltages so that a threshold voltage of at least one of the first and fourth field effect transistors suppresses an influence on an output signal of the functional circuit. Produces
The bias voltage generation circuit includes:
Series of a plurality of field effect transistors and resistive elements, each diode-connected in series connected between the output node for outputting said second of receiving a voltage node second bias voltage,
A current source transistor coupled between the output node and a node receiving the first voltage to drive a constant magnitude current;
A first resistance element connected between an internal power supply node that receives the second voltage and a first internal node;
A first reference transistor of the same conductivity type as the current source transistor, connected between the first resistance element and the gate of the current source transistor and having the gate connected to the first internal node;
A second reference transistor of the same conductivity type as the current source transistor, connected between the internal power supply node and a second internal node and having its gate connected to the first internal node;
A third reference of the same conductivity type as the current source transistor, connected between the gate of the current source transistor and a node receiving the first voltage, and having the gate connected to the second internal node. A transistor,
And a second resistor element connected between a node receiving said second voltage and said second internal node, semiconductors devices.
前記第1および第2の電圧それぞれに基づいて電圧レベルの異なる第1および第2のバイアス電圧を発生して、それぞれ、前記第2および第3の電界効果トランジスタのゲートへ与えるバイアス電圧発生回路を備え、前記バイアス電圧発生回路は、前記第1および第4の電界効果トランジスタの少なくとも一方のしきい値電圧が前記機能回路の出力信号に対する影響を抑制するように前記第1および第2のバイアス電圧を生成し、
相補信号対を差動的に増幅して相補出力信号を生成する第1の増幅回路と、
前記第1の増幅回路が出力する相補出力信号をさらに差動的に増幅して、前記第1および第4の電界効果トランジスタのゲートへそれぞれ与えられる互いに論理レベルの等しい第1および第2の駆動信号を生成する第2の増幅回路と、
前記機能回路の出力信号に従って駆動される画像表示素子をさらに備え、
前記機能回路の出力信号は、前記第2および第3の電界効果トランジスタの接続点から出力される、半導体装置。 A functional circuit that operates by receiving first and second voltages applied to the first and second power supply nodes, respectively, as an operation power supply voltage, and the functional circuit is interposed between the first and second power supply nodes; First, second, third and fourth field effect transistors connected in series, wherein the first and second field effect transistors are different in conductivity type from the third and fourth field effect transistors. ,
Bias voltage generating circuits for generating first and second bias voltages having different voltage levels based on the first and second voltages, respectively, and applying the first and second bias voltages to the gates of the second and third field effect transistors, respectively; And the bias voltage generation circuit includes the first and second bias voltages so that a threshold voltage of at least one of the first and fourth field effect transistors suppresses an influence on an output signal of the functional circuit. Produces
A first amplifier circuit that differentially amplifies the complementary signal pair to generate a complementary output signal;
It said first amplifying circuit is further differentially amplifying the complementary output signal to be output, the first and second driving equivalent logic level with each other to be respectively applied to the gates of the first and fourth field-effect transistor A second amplifier circuit for generating a signal;
Further comprising an image display element driven according to an output signal of the functional circuit,
The output signal of the functional circuit is output from a connection point between the second and third field effect transistors, semi-conductor devices.
前記相補信号対を差動的に増幅する第1の差動段と、
前記第1の差動段の出力信号をラッチする第1のラッチ段と、
前記第1の差動段と前記第1のラッチ段との間に接続され、前記第1の差動段と前記第1のラッチ段との間に転送される信号の振幅を制限する第1の振幅制限段とを備え、
前記第2の増幅回路は、
前記第1のラッチ段のラッチ信号を差動的に増幅する第2の差動段と、
前記第2の差動段の出力信号をラッチする第2のラッチ段と、
前記第2のラッチ段と前記第2の差動段との間に接続され、前記第2の差動段と前記第2のラッチ段との間で転送される信号の振幅を制限する第2の振幅制限段とを備え、
前記第2のラッチ段のラッチ信号と前記第2の差動段の出力信号とがそれぞれ前記第1および第4の電界効果トランジスタのゲートへ与えられる、請求項8記載の半導体装置。The first amplifier circuit includes:
A first differential stage for differentially amplifying the complementary signal pair;
A first latch stage for latching an output signal of the first differential stage;
The first differential stage is connected between the first differential stage and the first latch stage and limits the amplitude of a signal transferred between the first differential stage and the first latch stage. And an amplitude limiting stage,
The second amplifier circuit includes:
A second differential stage for differentially amplifying the latch signal of the first latch stage;
A second latch stage for latching the output signal of the second differential stage;
The second latch is connected between the second latch stage and the second differential stage, and limits the amplitude of a signal transferred between the second differential stage and the second latch stage. And an amplitude limiting stage,
9. The semiconductor device according to claim 8 , wherein the latch signal of the second latch stage and the output signal of the second differential stage are respectively applied to the gates of the first and fourth field effect transistors.
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