JP3142416B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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JP3142416B2 JP05112793A JP11279393A JP3142416B2 JP 3142416 B2 JP3142416 B2 JP 3142416B2 JP 05112793 A JP05112793 A JP 05112793A JP 11279393 A JP11279393 A JP 11279393A JP 3142416 B2 JP3142416 B2 JP 3142416B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路に係
り、特に、LSIチップの出力段に設けられて外部の装
置等を駆動する、高速動作のための小振幅動作を行うの
に適合された出力回路の構成に関する。本発明に係る出
力回路は、例えば複数のLSIチップを搭載したボード
上においてチップ間入出力インタフェースとして好適に
利用され得る。
【0002】従来、LSIの入出力レベルはTTLやL
VTTL(JEDECで標準化された3.3V電源のイ
ンタフェース仕様)が一般的であったが、このレベルの
ままでは転送データ(入出力データ)の周波数が50M
Hzを越えるあたりから、信号の反射の影響が大きくな
り、リンギング等による波形歪みを生じて正常なデータ
転送を行えなくなる。そこで、転送データの振幅を±3
00〜±500mV程度に微小化する技術が注目されて
いる。この技術によれば、50MHzをはるかに越える
100MHz以上での高速データ転送が可能になる。
【0003】
【従来の技術】図13に従来形における出力回路の適用
例が示される。図示の例はLSIチップ間の入出力イン
タフェースに適用した場合の構成を示すもので、出力回
路は一方のチップ上に設けられ、高電位の電源ラインV
CC(5V)と低電位の電源ラインVSS(0V)の間に接
続されたCMOS構成のトランジスタ(pチャネルトラ
ンジスタQ1,nチャネルトランジスタQ2)から成っ
ている。また、他方のチップ上には、チップ間を接続す
る伝送ラインTMLを通して入力される信号VIN(定常
状態では出力回路の出力信号VOUT と同電位)を処理す
るための差動増幅器DA、終端抵抗器RT等が設けられ
ている。この終端抵抗器RTは、出力回路を高速に動作
させ、且つ、信号の反射による波形歪みが生じないよう
に動作させるために必要なもので、伝送ラインTMLの
固有インピーダンスと同じインピーダンスに設定されて
いる。受信側では差動増幅器DAにより、終端電圧VTT
(=VCC/2)に対して入力信号VINが高いか低いかを
検出する。
【0004】図示の構成において、出力回路(Q1,Q
2)に入力される信号(ノードN1の信号)が“L”レ
ベルの場合にはpチャネルトランジスタQ1がオンとな
り、VCC→Q1→RT→VTTの経路で電流が流れ、入力
信号VINのレベルは終端電圧VTTより高くなる。一方、
出力回路の入力信号が“H”レベルの場合にはnチャネ
ルトランジスタQ2がオンとなり、逆にVTT→RT→Q
2→VSSの経路で電流が流れ、入力信号VINのレベルは
終端電圧VTTより低くなる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の構成に
おいて高速動作を行うためには、入出力信号VOUT,IN
(定常状態では同電位)の電圧は、VTT±400mV程
度に抑える必要がある。ここで、終端抵抗器RTは伝送
ラインTMLのインピーダンスで決まる(通常は50
Ω)ので、出力回路の各トランジスタQ1,Q2のオン
抵抗は自ずと決まってしまう。つまり、各トランジスタ
Q1,Q2は、その大きさが一義的に決まってしまうた
め、それに応じた駆動能力を持つことになる。
【0006】従って、例えば1つのチップ(出力回路)
で複数の他のチップを駆動したい場合でも、その出力回
路の駆動能力は限られているため、駆動対象となる全て
のチップを高速に駆動することが極めて困難になるとい
った不都合が生じる。このように従来形の出力回路で
は、高速化のための小振幅動作を実現しようとすると、
出力トランジスタを必要以上に大きくできなくなり、そ
のために各トランジスタの駆動能力も相対的に低下する
という課題があった。
【0007】本発明は、かかる従来技術における課題に
鑑み創作されたもので、高速動作を実現すると共に、出
力トランジスタの駆動能力を高めることができる出力回
路を備えた半導体集積回路を提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明による半導体集積回路は、所定の基準電圧に
対して“H”レベルを規定する第1の出力電圧と“L”
レベルを規定する第2の出力電圧を提供する出力回路
と、実質的に無負荷状態の時の前記第1および第2の出
力電圧を、それぞれ電源相当電圧の絶対値よりも小さい
絶対値を持つ所定の電圧レベルとなるように制御する手
段とを具備することを特徴とする。
【0009】
【作用】上述した構成によれば、実質的に無負荷状態の
時の第1の出力電圧(“H”レベル)および第2の出力
電圧(“L”レベル)は、それぞれ電源相当電圧の絶対
値よりも小さい絶対値を持つように制御がなされてい
る。従って、例えば出力回路を典型的なCMOS構成の
トランジスタで構成した場合、各トランジスタのソース
電位(この場合、電源相当電圧の絶対値よりも小さい絶
対値を持つ電圧レベル)を適宜選定することにより、出
力トランジスタのオン抵抗、ひいてはトランジスタの駆
動能力を自由に選択することができる。
【0010】これによって、高速化のための小振幅動作
を損なうことなく、出力トランジスタの駆動能力を高め
ることが可能となる。また、終端抵抗が無い場合(直流
電流を無くしたい場合)には、従来回路では小振幅動作
を行うことはできなかったが、本発明の回路構成によれ
ば、終端抵抗が無い場合でも小振幅動作すなわち高速動
作を実現することが可能となる。
【0011】なお、本発明の他の構成上の特徴および作
用の詳細については、添付図面を参照しつつ以下に記述
される実施例を用いて説明する。
【0012】
【実施例】図1には本発明の第1実施例としての半導体
集積回路における要部、すなわち出力回路の構成が示さ
れる。図示の回路は、高電位の電源電圧VCC(5V)お
よび所定の基準電圧VTTの供給を受けて高電位の内部電
源電圧VCC1(<VCC)を生成する電源回路P1と、低電
位の電源電圧VSS(0V)および基準電圧VTTの供給を
受けて低電位の内部電源電圧VSS1(>VSS)を生成する
電源回路P2と、電源回路P1,P2の各出力ライン
(内部電源電圧VCC1,VSS1)間に接続されたCMOS構
成のトランジスタ(pチャネルトランジスタQ1および
nチャネルトランジスタQ2)と、同じく電源ラインV
CC1,VSS1 間に接続されて当該電源電圧VCC1,VSS1
安定化させるためのキャパシタCとを有している。出力
トランジスタQ1,Q2は駆動回路として機能し、出力
電圧VOUT を提供する。なお、基準電圧VTTは内部で生
成され、VCC/2に設定されている。
【0013】ここで、本実施例の回路構成を図13の構
成に適用すると、電源回路P1,P2から供給すべき内
部電源電圧VCC1,VSS1 は、終端抵抗器RTの抵抗値
と、入出力信号VOUT,INの電圧と、出力トランジスタ
Q1,Q2の駆動能力(オン抵抗)とから決定される。
例えば、低電位側の内部電源電圧VSS1 を以下の条件、
すなわち、終端抵抗器RTの抵抗値が50Ω、入出力信
号VOUT,INの電圧がVTT−400mV、そして出力ト
ランジスタQ1,Q2のオン抵抗が25Ωとすると、V
SS1 は(VTT−600mV)に設定される。
【0014】図2には電源回路の一構成例が示される。
図示の電源回路は、電源ラインVCCと基準電圧ラインV
TTの間に直列に接続された抵抗器R1,R1’およびn
チャネルトランジスタQ3(そのゲートはドレインに接
続されている)と、抵抗器R1およびR1’の接続点
(ノードN2)にゲートが接続され且つ電源ラインVCC
にドレインが接続されたnチャネルトランジスタQ4と
を有している。そして、このトランジスタQ4のソース
端より高電位の内部電源電圧VCC1 が取り出される。
【0015】なお、図2の例示は高電位側の電源回路P
1の構成を示すものであるが、対応する電源ライン
CC,VCC1 をそれぞれVSS,VSS1 に置き換えること
により、低電位側の電源回路P2についても同様に構成
可能であることは当業者には明らかであろう。また、参
考として図3に図1の回路の動作波形が示される。
【0016】第1実施例(図1)の構成によれば、無負
荷状態の時(すなわち図13において無終端時に相
当)、“H”レベルの出力電圧VOHについては電源電圧
CCよりも低い電圧レベルVCC1 となるように、また
“L”レベルの出力電圧VOLについては電源電圧VSS
りも高い電圧レベルVSS1 となるように制御が行なわれ
る。従って、出力トランジスタQ1,Q2のソース電位
すなわち内部電源電圧VCC1,VSS1 を適宜選定すること
により、各出力トランジスタのオン抵抗、つまり駆動能
力を自由に選択することができる。
【0017】これによって、高速化のための小振幅動作
を損なうことなく、出力トランジスタQ1,Q2の駆動
能力を高めることが可能となる。図4には本発明の第2
実施例としての半導体集積回路における要部、すなわち
出力回路の構成が示される。前述した第1実施例(図
1)では、動作時に出力トランジスタQ1,Q2に比較
的大きな電流が流れるので、内部電源電圧VCC1,VSS1
のレベル変動を抑制するには、電源回路P1,P2の容
量を大きくする必要がある。この第2実施例では、使用
する電源回路の容量を小さくできるように改善してい
る。
【0018】すなわち図4に示すように、本実施例にお
ける出力回路は、電源電圧VCCおよび基準電圧VTTの供
給を受けて高電位の内部電源電圧VCC2(<VCC)を生成
する電源回路P3と、電源電圧VSSおよび基準電圧VTT
の供給を受けて低電位の内部電源電圧VSS2(>VSS)を
生成する電源回路P4と、電源回路P3,P4の各出力
ライン(内部電源電圧VCC2,VSS2)間に接続されたCM
OS構成のトランジスタ(pチャネルトランジスタQ5
およびnチャネルトランジスタQ6)と、該トランジス
タの出力(ノードN3の信号)に応答し且つ電源ライン
CC,VSS間に接続されたCMOS構成のトランジスタ
(nチャネルトランジスタQ7およびpチャネルトラン
ジスタQ8)とを有している。そして、この最終段のC
MOSゲート(Q7,Q8)から出力電圧VOUT が取り
出される。
【0019】本実施例の特徴としては、最終段のCMO
Sゲートに関して、通常とは逆の接続形態、つまり、n
チャネルトランジスタQ7を高電位(VCC)側に接続
し、pチャネルトランジスタQ8を低電位(VSS)側に
接続している。この構成によれば、トランジスタQ7の
ソース電位、すなわち出力電圧VOUTは、前段のCMO
Sゲート(Q5,Q6)の出力電圧(ノードN3の信
号)よりもトランジスタQ7のスレッショルド電圧だけ
低い電圧値によって決まる。従って、出力を駆動する電
流はVCC→Q7→OUTの経路で流れるので、前述した
第1実施例(図1)の問題は回避できる。
【0020】図5には電源回路の一構成例が示される。
図示の電源回路は、電源ラインVCCと基準電圧ラインV
TTの間に直列に接続された抵抗器R2,R2’およびn
チャネルトランジスタQ9,Q10(各ゲートは対応す
るドレインに接続されている)と、抵抗器R2,R2’
の接続点(ノードN2’)にゲートが接続され且つ電源
ラインVCCにドレインが接続されたnチャネルトランジ
スタQ11とを有している。そして、このトランジスタ
Q11のソース端より高電位の内部電源電圧VCC2 が取
り出される。
【0021】なお、図5の例示は、図2の場合と同様
に、高電位側の電源回路P3の構成を示すものである
が、対応する電源ラインVCC,VCC2 をそれぞれVSS
SS2 に置き換えることにより、低電位側の電源回路P
4についても同様に構成可能であることは当業者には明
らかであろう。また、参考として図6に図4の回路の動
作波形が示される。
【0022】図7には本発明の第3実施例としての半導
体集積回路における要部、すなわち出力回路の構成が示
される。上述した第2実施例(図4)では、CMOSゲ
ート(Q5,Q6)の出力(ノードN3の信号)は電圧
レベルVCC2 とVSS2 の間で振幅する(図6参照)。し
かし、最終段のCMOSゲート(トランジスタQ7,Q
8)の動作を考えると、ノードN3の電位をVSS2 のレ
ベルまで下げなくてもnチャネルトランジスタQ7は十
分にカットオフが可能であり、またノードN3の電位を
CC2 のレベルまで上げなくてもpチャネルトランジス
タQ8は十分にカットオフが可能である。よって、一層
の高速動作のためには、出力トランジスタQ7,Q8の
ゲート電位の振幅は小さくした方が好ましい。この第3
実施例では、この不都合を改善している。
【0023】すなわち図7に示すように、本実施例の特
徴として、出力トランジスタQ7,Q8のゲート電圧を
別個に供給するようにしている。このために、前段のC
MOS回路部に関して、2組のCMOSゲート(pチャ
ネルトランジスタQ12およびnチャネルトランジスタ
Q13と、pチャネルトランジスタQ14およびnチャ
ネルトランジスタQ15)を設け、さらに、トランジス
タQ13,Q14のソースに基準電圧VTTを供給するた
めの基準電圧用電源回路P5を設けている。
【0024】図8には基準電圧用電源回路P5の一構成
例が示される。図示の基準電圧用電源回路は、電源ライ
ンVCCとVSSの間にそれぞれ直列に接続された抵抗器R
3、pチャネルトランジスタQ16(そのゲートはソー
スに接続されている)、nチャネルトランジスタQ17
(そのゲートはソースに接続されている)、および抵抗
器R4と、トランジスタQ16のソース(ノードN6)
にゲートが接続され且つ電源ラインVCCにソースが接続
されたpチャネルトランジスタQ18と、トランジスタ
Q17のソース(ノードN7)にゲートが接続され且つ
電源ラインVSSにソースが接続されたnチャネルトラン
ジスタQ19とを有している。そして、トランジスタQ
16,Q17の各ドレインに基準電圧VTTが入力され、
トランジスタQ18,Q19の各ドレインより基準電圧
TTが取り出される。
【0025】また、参考として図9に図7の回路の動作
波形が示される。図10には本発明の第4実施例として
の半導体集積回路における要部、すなわち電源回路の構
成が示される。前述した各実施例では、終端抵抗が常に
一定値(例えば50Ω)であるものとして説明したが、
終端抵抗は常に一定値とは限らない。直流電流を無くし
たい場合は、終端抵抗が無い場合もあり得る。このよう
な場合、例えば第2実施例(図4,図5参照)では、内
部電源電圧VCC2,VSS2 の電位が終端抵抗の有無に応じ
て変動する。この第4実施例では、この不都合を改善し
ている。
【0026】すなわち図10に示すように、本実施例の
特徴として、外部から任意に設定可能な情報に基づいて
内部電源電圧VCC2 の電圧レベルを制御可能にしてい
る。このために、図5における抵抗器R2,R2’の代
わりに、複数の抵抗器(図示の例では簡単化のために3
つの抵抗器R5〜R7のみ示される)と、各抵抗器の接
続点とトランジスタQ11のゲートの間にそれぞれ接続
された複数のnチャネルトランジスタQ20〜Q22
と、外部からの制御情報(ロウアドレスストローブ信号
RASX、コラムアドレスストローブ信号CASX、ラ
イトイネーブル信号WEX、基準電圧VREF (これにつ
いては内部で生成してもよい)、クロック信号CLK、
アドレス信号ADD)に基づいて各トランジスタQ20
〜Q22を選択的にオンオフする出力レベル制御回路O
LCとを設けている。
【0027】図11には出力レベル制御回路OLCの一
構成例が示され、図12にはその動作波形が示される。
図12の例示は、外部よりデータ(D)を書き込む場合
の動作波形を示しており、この例ではシンクロナスDR
AMを想定して図示されている。シンクロナスDRAM
は、クロック信号CLKの立ち上がりエッジに同期して
動作する。電源投入直後に、クロック0の時点で、ロウ
アドレスストローブ信号RASX、コラムアドレススト
ローブ信号CASXおよびライトイネーブル信号WEX
を全て“L”レベルとすると、出力条件設定のモードに
なり、この時、各アドレス入力端にアドレス信号ADD
を与え、設定する。出力条件が設定されると、基本的に
は、クロック信号に同期する点を除いて、通常のDRA
Mと同様の動作を行い、コラム選択および書き込み/読
み出しを行う。
【0028】図11に示す回路はこれを実現するための
もので、図中、DA0 〜DA6 は差動増幅器を示し、基
準電圧VREF (=1.5V)に対して各入力信号CL
K,RASX,CASX,WEX,A0 〜An が高いか
低いかを検出する。差動増幅器DA0 の出力φ0 は各ゲ
ートG0 〜G5 に入力され、差動増幅器DA1 〜DA6
の各出力φ1 〜φ6 をラッチする。次いで、ゲートG6
で、RASX, CASXおよびWEXに対応する信号φ
12 およびφ3 が全て“L”レベルであることを検出
し、その出力NGでゲートG7 〜G9 を開く。これによ
って、アドレス入力端の情報A0 〜An が、それぞれス
イッチSW0 〜SWn を介して対応するフリップフロッ
プFF0 〜FFn にラッチされる。このラッチされたデ
ータはノードN8〜N10に出力され、トランジスタQ
20〜Q22の各ゲート(図10参照)に供給される。
【0029】一方、これとは別に、ヒューズによって固
定的に記憶する機能も準備する。このために、ヒューズ
0 〜Fn とFx を設け、ヒューズF0 〜Fn にはノー
ドN8〜N10に送るべき情報を記憶させ、ヒューズF
x には各スイッチSW0 〜SWn をヒューズ側に切り換
えるための情報を記憶させる。なお、各ヒューズF0
Fn およびFx は、外部から紫外線を照射することによ
って任意に切断することができる。
【0030】このように、図11に示す回路構成によれ
ば、外部から任意に出力条件を設定でき、また、ヒュー
ズを用いて固定的に記憶させることも可能である。従っ
て、この第4実施例(図10〜図12参照)によれば、
終端抵抗の有無もしくは変動に応じて適宜、内部電源電
圧VCC2,VSS2 の電位を最適値に選択することが可能と
なる。
【0031】なお、第4実施例では電源回路の構成を第
2実施例(図4,図5参照)と対比させる形で説明した
が、第4実施例で用いた電源回路は第1実施例(図1,
図2参照)にも同様に適用可能であることは当業者には
明らかであろう。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
速化のための小振幅動作を実現する一方で、出力トラン
ジスタの駆動能力を高めることができる。また、終端抵
抗が無い場合でも、小振幅動作を実現することが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例としての半導体集積回路に
おける要部の構成を示す回路図である。
【図2】図1における電源回路の一構成例を示す回路図
である。
【図3】図1の回路の動作波形図である。
【図4】本発明の第2実施例としての半導体集積回路に
おける要部の構成を示す回路図である。
【図5】図4における電源回路の一構成例を示す回路図
である。
【図6】図4の回路の動作波形図である。
【図7】本発明の第3実施例としての半導体集積回路に
おける要部の構成を示す回路図である。
【図8】図7における基準電圧用電源回路の一構成例を
示す回路図である。
【図9】図7の回路の動作波形図である。
【図10】本発明の第4実施例としての半導体集積回路
における要部の構成を示す回路図である。
【図11】図10における出力レベル制御回路の一構成
例を示す回路図である。
【図12】図11の回路の動作波形図である。
【図13】従来形における出力回路の適用例を示す図で
ある。
【符号の説明】
OLC…出力レベル制御回路 P1〜P5…電源回路 Q1,Q5,Q8,Q12,Q14…pチャネルトラン
ジスタ Q2,Q6,Q7,Q13,Q15,Q20,Q21,
Q22…nチャネルトランジスタ VCC,VSS…電源相当電圧(外部電源電圧) VCC2,SS2 …電源相当電圧 VOH…“H”レベルを規定する第1の出力電圧
(VOUT ) VOL…“L”レベルを規定する第2の出力電圧
(VOUT ) VTT…所定の基準電圧(=VCC/2)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定の基準電圧(VTT)に対して“H”
    レベルを規定する第1の出力電圧(VOH)と“L”レベ
    ルを規定する第2の出力電圧(VOL)を提供する出力回
    路と、 実質的に無負荷状態の時の前記第1および第2の出力電
    圧を、それぞれ電源相当電圧(VCC,VSS;VCC2,
    SS2)の絶対値よりも小さい絶対値を持つ所定の電圧レベ
    ルとなるように制御する手段とを具備することを特徴と
    する半導体集積回路。
  2. 【請求項2】 前記出力回路は、外部電源電圧(VCC
    SS)および前記所定の基準電圧の供給を受けて、該外
    部電源電圧より小さい内部電源電圧を生成する電源回路
    (P1,P2;P3,P4)と、該内部電源電圧の供給
    を受けて前記第1および第2の出力電圧を提供する駆動
    回路とを具備することを特徴とする請求項1に記載の半
    導体集積回路。
  3. 【請求項3】 前記駆動回路は、前記内部電源電圧の供
    給を受けて作動するCMOS構成の回路部(Q5,Q
    6;Q12〜Q15)と、該回路部の出力に応答して前
    記第1の出力電圧を提供するnチャネルトランジスタ
    (Q7)と、前記回路部の出力に応答して前記第2の出
    力電圧を提供するpチャネルトランジスタ(Q8)とを
    具備することを特徴とする請求項2に記載の半導体集積
    回路。
  4. 【請求項4】 前記CMOS構成の回路部は、前記内部
    電源電圧の供給を受けて作動する1組のCMOS構成の
    トランジスタ(Q5,Q6)を有し、該CMOS構成の
    トランジスタの出力により前記nチャネルトランジスタ
    およびpチャネルトランジスタの各ゲート電位が共通に
    制御されることを特徴とする請求項3に記載の半導体集
    積回路。
  5. 【請求項5】 前記CMOS構成の回路部は、前記内部
    電源電圧の供給を受けて作動する2組の直列接続された
    CMOS構成のトランジスタ(Q12〜Q15)を有
    し、一方のCMOS構成のトランジスタの出力により前
    記nチャネルトランジスタのゲート電位が制御され、他
    方のCMOS構成のトランジスタの出力により前記pチ
    ャネルトランジスタのゲート電位が制御されることを特
    徴とする請求項3に記載の半導体集積回路。
  6. 【請求項6】 前記一方のCMOS構成のトランジスタ
    と前記他方のCMOS構成のトランジスタの接続点に前
    記基準電圧を供給する電源回路(P5)を更に具備する
    ことを特徴とする請求項5に記載の半導体集積回路。
  7. 【請求項7】 前記電源回路は、外部電源電圧と前記基
    準電圧のライン間に接続された複数の抵抗器(R5〜R
    7)と、各抵抗器により分圧された複数の電圧レベルを
    択一的に選択するスイッチ手段(Q20〜Q22)と、
    外部からの制御情報に基づいて該スイッチ手段のオンオ
    フを制御する回路(OLC)とを具備し、前記外部から
    の制御情報に基づいて前記内部電源電圧の電圧レベルを
    可変に制御することを特徴とする請求項2から6のいず
    れか一項に記載の半導体集積回路。
  8. 【請求項8】 前記所定の基準電圧(VTT)は、内部で
    生成され、外部電源電圧(VCC,VSS)の中間電位に設
    定されることを特徴とする請求項1から7のいずれか一
    項に記載の半導体集積回路。
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