説明

出力バッファ回路

【課題】駆動能力が切替可能であると共に、ESD耐性が高い出力バッファ回路。
【解決手段】出力バッファ回路100において、第1の電源電圧と、第1の電源電圧より低い第2の電源電圧との間に直列に接続された第1導電型トランジスタTRA1と第2導電型トランジスタTRB1は、出力トランジスタを構成する。制御回路110は、トランジスタTRA1とトランジスタTRB1を相補的にオン/オフさせ、かつトランジスタTRA1とトランジスタTRB1をオンさせるときに与えるゲート電圧を複数の値間で切替可能である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、駆動能力が切替可能な出力バッファ回路に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に半導体集積回路では、内部回路で処理したデジタル信号を、出力バッファ回路を介して外部に出力する。外部の負荷は、パッケージの端子を介して出力バッファ回路に接続される。通常の出力バッファ回路は、一対のPMOSトランジスタとNMOSトランジスタ(以下合わせて出力トランジスタという)を備えており、この出力トランジスタを介して外部負荷を充放電することにより、半導体集積回路内部からのデジタル信号を電位として外部に伝える。
【0003】
様々な用途において、出力バッファ回路の駆動能力が段階的に切替可能であることは要求される。例えば、特許文献1には、送信タイミングを調整するために、出力バッファ回路の駆動能力を切替可能にしている。
【0004】
特許文献1に開示された出力バッファ回路(特許文献1における図1参照)では、複数の出力トランジスタが並列に配置され、オンされている出力トランジスタの駆動能力の和が出力バッファ回路の駆動能力になる。そのため、制御回路により、これらの複数の出力トランジスタのオン/オフを制御し、オンされる出力トランジスタの数を調整することにより、出力バッファ回路の駆動能力を切り替える。
【特許文献1】特開2003−60487号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1に開示された出力バッファ回路の駆動能力は、オンされている出力トランジスタの駆動力能力の和であるため、各出力トランジスタの駆動能力は、出力バッファ回路に期待される最大の駆動能力より小さい。そのため、各出力トランジスタに含まれるPMOSトランジスタとNMOSトランジスタとして、サイズの小さいものを用いることが必要である。これでは、出力バッファ回路のESD(静電破壊)耐性が弱いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一つの態様は、出力バッファ回路である。この出力バッファ回路は、第1の電源電圧を供する第1の電源端子と、第1の電源電圧より低い第2の電源電圧を供する第2の電源端子との間に直列に接続された第1導電型トランジスタTRA1と第2導電型トランジスタTRB1と、トランジスタTRA1とトランジスタTRB1を相補的にオン/オフさせ、かつトランジスタTRA1とトランジスタTRB1をオンさせるときに与えるゲート電圧を複数の値間で切替可能な制御回路とを備える。
【0007】
なお、上記態様の出力バッファ回路を装置や方法などに置き換えて表現したもの、本発明の態様としては有効である。
【発明の効果】
【0008】
本発明にかかる技術によれば、駆動能力が切替可能であると共に、ESD耐性の高い出力バッファ回路を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、分かりやすいように、例として、下記各実施の形態にかかる出力バッファ回路は、半導体装置内部のデジタル信号がHighであるときにHigh出力し、半導体装置内部のデジタル信号がLowであるときにLow出力するものであるとする。
・第1の実施の形態
【0010】
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる出力バッファ回路100を示す。出力バッファ回路100は、半導体装置内部からのデジタル信号である入力信号INを電位OUT(以下出力OUTという)として外部に出力するものであり、電源電圧と接地電圧間に直列に接続された第1導電型トランジスタTRA2、第1導電型トランジスタTRA1、第2導電型トランジスタTRB1、第2導電型トランジスタTRB2と、制御回路110を備える。
【0011】
本実施の形態において、第1導電型トランジスタとしてPMOSトランジスタを用い、第2導電型トランジスタとしてNMOSトランジスタを用いる。以下の説明において、第1導電型トランジスタTRA1、第1導電型トランジスタTRA2、第2導電型トランジスタTRB1、第2導電型トランジスタTRB2を夫々PMOS1、PMOS2、NMOS1、NMOS2という。
【0012】
図示のように、PMOS2は電源電圧とPMOS1間に接続され、NMOS2は接地電圧とNMOS1間に接続され、PMOS1とNMOS1との間には、出力端子105が接続されている。
【0013】
制御回路110は、制御信号端子101と、インバータ103と、インバータ104と、6つのトランスファーゲート(112、114、118、122、124、128)と、4つの抵抗(R1、R2、R3、R4)を備える。
【0014】
制御信号端子101は、各トランスファーゲートに接続され、制御信号CTRを各トランスファーゲートの制御信号Aとしてこれらのトランスファーゲートに出力する。各トランスファーゲートは、制御信号Aによりオン/オフの制御がなされる。本実施の形態において、トランスファーゲート112は、トランスファーゲート114とトランスファーゲート118と相補的にオン/オフされ、トランスファーゲート122は、トランスファーゲート124とトランスファーゲート128と相補的にオン/オフされる。また、トランスファーゲート112とトランスファーゲート122のオン/オフが一致し、トランスファーゲート114と、トランスファーゲート118と、トランスファーゲート124と、トランスファーゲート128とのオン/オフが一致する。
【0015】
インバータ104は、入力端子102からの入力信号INを反転させて、PMOS2のゲートと、NMOS2のゲートに入力する。
【0016】
インバータ103は、入力端子102からの入力信号INを反転させて、トランスファーゲート112と、トランスファーゲート114と、トランスファーゲート122と、トランスファーゲート124に出力する。
【0017】
抵抗R1と抵抗R2は、電源電圧とトランスファーゲート114との間に直列に接続され、抵抗R1と抵抗R2との間にはトランスファーゲート118が接続される。トランスファーゲート118は、さらにPMOS1のゲートと接続される。トランスファーゲート112は、PMOS1のゲートとインバータ103との間に設けられている。
【0018】
抵抗R3と抵抗R4は、接地電圧とトランスファーゲート124との間に直列に接続され、抵抗R3と抵抗R4の間にはトランスファーゲート128が接続される。トランスファーゲート128は、さらにNMOS1のゲートと接続される、トランスファーゲート122は、NMOS1のゲートとインバータ103との間に設けられている。
【0019】
本実施の形態の出力バッファ回路100の駆動能力は、制御信号AのLow/Highに応じて2段階に切り替えられる。
<制御信号AがLowレベルである場合>
【0020】
この場合、トランスファーゲート112はオンし、トランスファーゲート114とトランスファーゲート118はオフする。また、トランスファーゲート122はオンし、トランスファーゲート124とトランスファーゲート128はオフする。
【0021】
そのため、PMOS1は、オン時のゲート電圧N1が接地電圧レベルとなり、オフ時のゲート電圧N1が電源電圧レベルとなり、最大の駆動能力を発揮する。
【0022】
また、NMOS1は、オン時のゲート電圧N2が電源電圧レベルとなり、オフ時のゲート電圧N2が接地電圧レベルとなり、最大の駆動能力を発揮する。
【0023】
すなわち、制御信号AをLowレベルとすることにより、出力バッファ回路100の駆動能力は、最大値となる。
<制御信号がHighレベルである場合>
【0024】
この場合、トランスファーゲート112はオフし、トランスファーゲート114とトランスファーゲート118はオンする。また、トランスファーゲート122はオフし、トランスファーゲート124とトランスファーゲート128はオンする。
【0025】
そのため、入力信号INがHighであるときに、PMOS1のゲート電圧N1は、抵抗R1と抵抗R2の抵抗比で決まり、電源電圧と接地電圧との間、接地電圧よりやや高い電位になる。従って、PMOS1の駆動能力は、最大値より小さくなる。
【0026】
また、入力信号INがLowであるときに、NMOS1のゲート電圧N2は、抵抗R3と抵抗R4の抵抗比で決まり、電源電圧と接地電圧との間の、電源電圧よりやや低い電位になる。従って、NMOS1の駆動能力も、最大値より小さくなる。
【0027】
すなわち、制御信号AをHighレベルとすることにより、出力バッファ回路100の駆動能力を、最大値より低い値にすることができる。
【0028】
また、入力信号INがLowであるときに、PMOS2が完全にオフされるため、貫通電流の発生は回避される。
【0029】
同様に、入力信号INがHighであるときに、NMOS2が完全にオフされるため、貫通電流は回避される。
【0030】
図2は、出力バッファ回路100の出力電圧/電流特性の例を示す。曲線L1は、駆動能力が最大値である場合、すなわち制御信号AがLowレベルである場合を示し、曲線L2は、駆動能力が最大値より小さい場合、すなわち制御信号AがHighレベルである場合を示す。図示のように、出力バッファ回路100の駆動能力は、2段階の切替えが可能になっている。
【0031】
このように、本実施の形態の出力バッファ回路100は、1つの出力トランジスタ(PMOS1とNMOS1)のみで駆動能力の切替えを可能にしている。そのため、出力トランジスタに含まれるPMOSトランジスタとNMOSトランジスタとして、サイズの大きいものを用いることができ、ESD耐性が高い。
【0032】
また、複数の出力トランジスタを配置するときに、出力トランジスタ間に素子分離領域としての間隔を設ける必要がある。それに対して、本実施の形態の出力バッファ回路100では、出力トランジスタが1つであるので、レイアウトサイズが小さくできる。
・第2の実施の形態
【0033】
図3は、本発明の第2の実施の形態にかかる出力バッファ回路200を示す。出力バッファ回路200は、PMOS1とPMOS2の相対位置、およびNMOS1とNMOS2の相対位置が出力バッファ回路100と異なる点を除き、出力バッファ回路100と同一の構成を有する。
【0034】
図3に示すように、出力バッファ回路200において、出力トランジスタを構成するPMOS1、貫通電流を防止するPMOS2、貫通電流を防止するNMOS2、出力トランジスタを構成するNMOS1の順に、これらのトランジスタは電源電圧と接地電圧の間に直列に接続される。
【0035】
出力バッファ回路200は、出力バッファ回路100と同様に、制御信号Aに応じて駆動能力が2段階に切り替わる。出力バッファ回路200の具体的な動作乃至効果などは、出力バッファ回路100と同様であるので、ここで詳細な説明を省略する。
・第3の実施の形態
【0036】
出力バッファ回路100と出力バッファ回路200は、PMOS2とNMOS2を設けることにより、貫通電流の発生を回避している。ここで、第3の実施の形態として、別の手法により貫通電流を防止できる出力バッファ回路を説明する。
【0037】
図4は、本発明の第3の実施の形態にかかる出力バッファ回路300を示す。出力バッファ回路300は、出力バッファ回路100と出力バッファ回路200におけるPMOS2とNMOS2、およびインバータ103が無い。また、出力バッファ回路300は、トランスファーゲート112、トランスファーゲート114、トランスファーゲート118のオン/オフを制御する制御信号A1と、トランスファーゲート122、トランスファーゲート124、トランスファーゲート128のオン/オフを制御する制御信号B1を出力する組合せ回路310を備えている。
【0038】
図5は、組合せ回路310が入出力する各信号の真理値と、これらの真理値の組合せに応じたPMOS1のゲート電圧N1、NMOS1ゲート電圧N2、出力OUTを示す。図4において、「High−」は「High」よりやや低い電位を示し、「Low+」は、「Low」よりやや高い電位を示す。
【0039】
図5に示すように、入力信号INがLowであり、制御信号CTRがLowであるときに、組合せ回路310は、制御信号A1と制御信号B1を共にLowレベルにする。これにより、トランスファーゲート112とトランスファーゲート122はオンし、他のトランスファーゲートはオフする。そのため、PMOS1のゲート電圧N1がHighとなり、PMOS1は完全オフにされる。一方、NMOS1のゲート電圧N2がHighとなり、NMOS1は強くオンされ、出力バッファ回路300は、Low出力する。
【0040】
また、入力信号INがHighであり、制御信号CTRがLowであるときにも、組合せ回路310は、制御信号A1と制御信号B1を共にLowレベルにする。これにより、トランスファーゲート112とトランスファーゲート122はオンし、他のトランスファーゲートはオフする。そのため、NMOS1のゲート電圧N2がLowとなり、NMOS1は完全オフされる。一方、PMOS1のゲート電圧N1がLowとなり、PMOS1は強くオンされ、出力バッファ回路300は、High出力する。
【0041】
すなわち、制御信号CTRをLowレベルにすることにより、出力バッファ回路300は、最大の駆動能力を発揮する。
【0042】
入力信号INがLowであり、制御信号CTRがHighであるときに、組合せ回路310は、制御信号A1をLowレベルにし、制御信号B1をHighレベルにする。これにより、トランスファーゲート112はオンし、トランスファーゲート114とトランスファーゲート118はオフする。また、トランスファーゲート122はオフし、トランスファーゲート124とトランスファーゲート128はオンする。そのため、PMOS1のゲート電圧N1がHighとなり、PMOS1は完全オフにされる。一方、NMOS1のゲート電圧N2がHighよりやや低い「High−」となり、NMOS1は弱くオンされ、出力バッファ回路300は、最大駆動能力より低い駆動能力に対応するLow出力をする。
【0043】
入力信号INがHighであり、制御信号CTRがHighであるときに、組合せ回路310は、制御信号A1をHighレベルにし、制御信号B1をLowレベルにする。これにより、トランスファーゲート112はオフし、トランスファーゲート114とトランスファーゲート118はオンする。また、トランスファーゲート122はオンし、トランスファーゲート124とトランスファーゲート128はオフする。そのため、NMOS1のゲート電圧N2がLowとなり、NMOS1は完全オフにされる。一方、PMOS1のゲート電圧N1がLowよりやや高い「Low+」となり、PMOS1は弱くオンされ、出力バッファ回路300は、最大駆動能力より低い駆動能力に対応するHighをする。
【0044】
すなわち、制御信号CTRをHighレベルにすることにより、出力バッファ回路300の駆動能力は、最大値より小さくなる。
【0045】
このように、本実施の形態の出力バッファ回路300も、1つの出力トランジスタ(PMOS1とNMOS1)のみで駆動能力の切替えを可能にしている。また、組合せ回路310により、PMOS1のゲート電圧N1を制御するトランスファーゲート112〜118と、NMOS1のゲート電圧N2を制御するトランスファーゲート122〜128のオン/オフとを別々に制御し、High出力の場合にはゲート電圧N2をLowにすることによりNMOS1を完全にオフし、Low出力の場合にはゲート電圧N1をHighにすることによりPMOS1を完全にオフする。従って、貫通電流の発生も防止することができる。
・第4の実施の形態
【0046】
上記各実施の形態の出力バッファ回路は、駆動能力を2段階に切り替えるものである。本発明にかかる技術は、抵抗とトランスファーゲートの段数を増やすことにより、3以上の任意の段数で駆動能力を切替える出力バッファ回路にも適用することができ、また、適用することにより上記各実施の形態の出力バッファ回路と同様の効果を得ることができる。
【0047】
以下に説明する第4の実施の形態の出力バッファ回路は、一例として、出力バッファ回路300を元に駆動能力をn段階(n:3以上の整数)に切替可能にしたものである。
【0048】
図6は、第4の実施の形態にかかる出力バッファ回路400を示す。出力バッファ回路400は、PMOS1のゲート電圧N1を制御するための抵抗とトランスファーゲートの段数、およびNMOS1のゲート電圧N2を制御するための抵抗とトランスファーゲートの段数、および組合せ回路410が出力バッファ回路300の相対応する構成と異なる点を除き、出力バッファ回路300と同様であるため、ここで出力バッファ回路400の各構成の詳細な説明を省略する。
【0049】
図7は、駆動能力を4段階に切替える場合の組合せ回路410が入出力する各信号の真理値と、これらの真理値の組合せに応じたPMOS1のゲート電圧N1、NMOS1ゲート電圧N2、出力OUTを示す。図5において、「High−」は「High」よりやや低い電位を示し、「−」が多いほど電位が低いことを示す。また、「Low+」は、「Low」よりやや高い電位を示し、「+」が多いほど電位が高いことを示す。この場合、組合せ回路410に入力される制御信号としては、制御信号CTR1と制御信号CTR2の2つで足りる。
【0050】
図7から分かるように、出力バッファ回路400は、入力信号INと、制御信号CTR1と、制御信号CTR2の組み合わせに応じて、制御信号A1〜A4、制御信号B1〜B4の組合せを変更する。
【0051】
その結果、Low出力時に、PMOS1のゲート電圧N1がHighとなり、PMOS1は完全オフされる。一方、NMOS1のゲート電圧N2は、「High」、「High−」、「High−−」、「High−−−」の4段階で調整される。また、High出力時に、NMOS1のゲート電圧N2がLowとなり、NMOS1は完全オフされる。一方、PMOS1のゲート電圧N1は、「Low」、「Low−」、「Low−−」、「Low−−−」の4段階で調整される。
【0052】
すなわち、出力バッファ回路400は、駆動能力が4段階に切替可能であると共に、最大の駆動能力より低い駆動能力で動作する場合にも貫通電流が発生しない。
【0053】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。実施の形態は例示であり、本発明の主旨から逸脱しない限り、上述した各実施の形態に対してさまざまな変更、増減、組合せを行ってもよい。これらの変更、増減、組合せが行われた変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明の第1の実施の形態にかかる出力バッファ回路を示す図である。
【図2】図1に示す出力バッファ回路の出力電圧/電流特性の例を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態にかかる出力バッファ回路を示す図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態にかかる出力バッファ回路を示す図である。
【図5】図4に示す出力バッファ回路における組合せ回路の真理値表を示す図である。
【図6】本発明の第4の実施の形態にかかる出力バッファ回路を示す図である。
【図7】図6に示す出力バッファ回路における組合せ回路の真理値表を示す図である。
【符号の説明】
【0055】
100 出力バッファ回路
101 制御信号端子
102 入力端子
103 インバータ
104 インバータ
105 出力端子
110 制御回路
112〜118 トランスファーゲート
122〜128 トランスファーゲート
200 出力バッファ回路
300 出力バッファ回路
310 組合せ回路
400 出力バッファ回路
410 組合せ回路

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の電源電圧を供する第1の電源端子と、前記第1の電源電圧より低い第2の電源電圧を供する第2の電源端子との間に直列に接続された第1導電型トランジスタTRA1と第2導電型トランジスタTRB1と、
前記トランジスタTRA1とトランジスタTRB1を相補的にオン/オフさせ、かつ前記トランジスタTRA1とトランジスタTRB1をオンさせるときに与えるゲート電圧を複数の値間で切替可能な制御回路とを備えることを特徴とする出力バッファ回路。
【請求項2】
前記第2の電源電圧は、接地電圧であることを特徴とする請求項1に記載の出力バッファ回路。
【請求項3】
前記トランジスタTRA1とトランジスタTRB1との間の出力端子と、前記第1の電源端子との間に、前記トランジスタTRA1と直列に接続された別の第1導電型トランジスタTRA2と、
前記出力端子と、前記第2の電源端子との間に、前記トランジスタTRB1と直列に接続された別の第2導電型トランジスタTRB2とをさらに有し、
前記制御回路は、前記トランジスタTRA1をオンさせるときに前記トランジスタTRB2を完全にオフさせ、前記トランジスタTRB1をオンさせるときに前記トランジスタTRA2を完全にオフさせることを特徴とする請求項1または2に記載の出力バッファ回路。
【請求項4】
前記制御回路は、前記トランジスタTRA1をオンさせるときに前記トランジスタTRB1を完全にオフさせ、前記トランジスタTRB1をオンさせるときに前記トランジスタTRA1を完全にオフさせることを特徴とする請求項1または2に記載の出力バッファ回路。
【請求項5】
前記第1導電型トランジスタは、PMOSトランジスタであり、
前記第2導電型トランジスタは、NMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の出力バッファ回路。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate


【公開番号】特開2010−147736(P2010−147736A)
【公開日】平成22年7月1日(2010.7.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−321798(P2008−321798)
【出願日】平成20年12月18日(2008.12.18)
【出願人】(302062931)ルネサスエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Fターム(参考)】