JPH02203614A - 半導体論理回路 - Google Patents

半導体論理回路

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JPH02203614A
JPH02203614A JP1024543A JP2454389A JPH02203614A JP H02203614 A JPH02203614 A JP H02203614A JP 1024543 A JP1024543 A JP 1024543A JP 2454389 A JP2454389 A JP 2454389A JP H02203614 A JPH02203614 A JP H02203614A
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clock signal
mos transistor
transistor
circuit
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上野 昭司
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    • H03K19/09448Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors using MOSFET or insulated gate field-effect transistors, i.e. IGFET in combination with bipolar transistors [BIMOS]

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、バイポーラ(Bi)素子と絶縁ゲート型(M
OS)素子とを混載したB1−MOS型半導体集積回路
に形成されるB1−MOS型の半導体論理回路に係り、
特にD型マスタースレーブフリップフロップ回路やD型
ラッチ回路等に使用される半導体論理回路に関する。
(従来の技術) Bi−CMOS型の半導体論理回路は、出力段に設けら
れたバイポーラトランジスタをMOSトランジスタを用
いて導通制御するものであり、特にCMO3素子を用い
て導通制御することにより消費電流の低減化が可能にな
ると共に、バイポーラトランジスタによる動作の高速化
および高負荷駆動能力が可能になる。
このようなり 1−CMOS型の半導体論理回路の一例
として、本願出願人の出願に係る特願昭62−2467
51号の論理回路を第3図に示している。この論理回路
は、第1のクロック信号φにより導通制御されるmlの
NチャネルMOSトランジスタN1と入力信号りにより
導通制御される第2のNチャネルMOS)ランジスタN
2とを直列に接続し、第1のクロック信号φとは逆相レ
ベルの第2のクロック信号岡により導通制御される第3
のNチャネルMOSトランジスタN3とゲートに第1の
NチャネルMOS)ランジスタN1の一端の電位が反転
されて与えられる第4のNチャネルMOS)ランジスタ
N4とを直列に接続し、この直列に接続された第1のN
チャネルMOS)ランジスタN1および第2のNチャネ
ルMOS)ランジスタN2と上記直列に接続された第3
のNチャネルMOS)ランジスタN3および第4のNチ
ャネルMOSトランジスタN4を並列に接続し、一方の
並列接続点(a点)を抵抗Rを介して高電位側のV c
cfls源に接続してなる入力部1と、上記一方の並列
接続点(a点)にベースが接続される第1のバイポーラ
トランジスタQ1と他方の並列接続点(b点)にベース
が接続される例えばショットキーバリヤ型の第2のバイ
ポーラトランジスタQ2とをVCC電源と低電位(接地
電位GND)側の電源との間にトーテムポール接続して
なり、第1のバイポーラトランジスタQ1と第2のバイ
ポーラトランジスタQ2との接続点(出力端)から出力
信号OUTが取出される出力部■を具備してなることを
特徴とするものである。
なお、通常、上記出力端には負荷(図示せず)の容量が
存在する。また、PDは第2のバイポーラトランジスタ
Q2と接地電位GNDとの間に接続されたプルダウン回
路であり、この第2のバイポーラトランジスタQ2が導
通状態から非導通状態になる時にそのベース電荷を引抜
いて動作を高速化するために設けられている。また、第
1のバイポーラトランジスタQlは、必要に応じて、ダ
ーリントン接続されたバイポーラトランジスタが用いら
れることもある。
いま、第3図の論理回路を、第4図に示すよう・にD型
マスタースレーブフリップフロップ回路の出力回路部に
応用する場合を考える。ここで、マスター回路MSは、
データ信号りが入力し、第1のクロック信号CKにより
導通制御される第1のクロックドインバータ31と、こ
の第1のクロックドインバータ31の出力が入力する第
1のCMOSインバータ32と、この第1のCMOSイ
ンバータ32の出力端と入力端との間に接続され、第1
のクロック信号CKとは逆相レベルの第2のクロック信
号CKにより導通制御される第2のクロックドインバー
タ33とからなる。
また、スレーブ回路SLは、マスター回路MSの出力X
が入力し、′WS2のクロック信号CKにより導通制御
される第3のクロックドインバータ34と、この第3の
クロックドインバータ34の出力が人力する第2のCM
 OSインバータ35と、この第2のCMOSインバー
タ35の出力端と入力端との間に接続され、第1のクロ
ック信号CKにより導通制御される第4のクロックドイ
ンバータ36とからなる。
そして、論理回路部LGは、第1のNチャネルMOSト
ランジスタN、のゲート入力としてスレーブ回路SLの
出力Yが入力し、第2のNチャネルMOSトランジスタ
N2のゲート入力として第1のクロック信号CKが入力
し、第3のNチャネルMOSトランジスタN3のゲート
入力として第2のクロック信号CKが入力し、第4のN
チャネルMOSトランジスタN4のゲート入力としてマ
スター回路MSの出力Xが入力するように接続されてい
る。
なお、第1のクロック信号CKおよび第2のクロック信
号CKは、クロック信号発生回路CGから供給される。
このクロック信号発生回路CGは、クロック信号CKを
三段のCMOSインバータ(第3のCMOSインバータ
37〜第5のインバータ39)を介して反転してクロッ
ク信号CKとは逆相の第1のクロック信号CKとして供
給し、第3のCMOSインバータ37の出力を第6のC
MOSインバータ40で反転してクロック信号CKとは
同相の第2のクロック信号CKとして供給している。
第5図は、上記り型フリップフロップ回路の動作波形の
一例を示しており、第1のクロック信号CKの立上がり
によりデータ信号りのレベルをマスター回路MSに取込
むと共にスレーブ回路SLの出力Yのレベルをラッチし
、第2のクロック信号CKの立上がりによりマスター回
路MSの出力Xのレベルをラッチすると共にスレーブ回
路SLに取込むので、マスター回路MSが読込みモード
の時にはスレーブ回路SLがラッチモードになり、マス
ター回路MSがラッチモードの時にはスレーブ回路SL
が読込みモードになる。
この場合、論理回路部LGにおいては、出力信号OUT
が“1”状態の場合に、第2のクロック信号CKが“1
“レベルになった時(読込みモードになった時)にマス
ター回路MSの出力Xが“1“レベルになっていると、
この″1″レベルを読込んでその反転レベル“0°を出
力する。即ち、この時、第3のNチャネルMOSトラン
ジスタN3および第4のNチャネルMOSトランジスタ
N−tがそれぞれ導通し、a点およびb点の電位は第2
のバイポーラトランジスタQ2のベース・エミッタ間電
圧程度まで低下すると共に、V CC電位からこれらの
2個のMOSトランジスタN3およびN1を通して第2
のバイポーラトランジスタQ2にベース電流が供給され
、同時に第1のバイポーラトランジスタQ1のベース電
荷が引抜かれる。これにより、第1のバイポーラトラン
ジスタQ1は非導通状態になり、第2のバイポーラトラ
ンジスタQ2は導通状態になり、出力信号OUTは“0
” (’L’ )状態になる。
なお、この読込みモードになった時、第1のクロック信
号CKは“0”レベルであるので、第2のNチャネルM
OSトランジスタN2は非導通状態になっており、第1
のNチャネルMOSトランジスタNlも非導通状態にな
っている。また、この状態では、第2のクロック信号C
Kが“1ルベルになった時にマスター回路MSの出力X
の1”レベルを読込んだスレーブ回路SLの出力Yが″
1ルベルになっている。
次に、第1のクロック信号CKが“1°レベルになる(
ラッチモードになる)と、第1のNチャネルMOSトラ
ンジスタN】および第2のNチャネルMOSトランジス
タN2がそれぞれ導通し、ff1lのバイポーラトラン
ジスタQ1の非導通状態、第2のバイポーラトランジス
タQ2の導通状態、出力信号OUTの°0“ (“L”
)状態を保持する。このように出力信号OUTが“0”
状態の場合に、再び第2のクロック信号CKが“1”レ
ベルになった時(読込みモードになった時)にマスター
回路MSの出力Xが′1“レベルになっていると、再び
前記したように“1“レベルを読込んで出力レベル“0
“を保持する。
この後、マスター回路MSの出力Xに“0”レベルが現
れた時、第4のNチャネルMOS)ランジスタN4が非
導通状態になり、さらに、第2のクロック信号CKが“
1ルベルになった時(読込みモードになった時)にマス
ター回路MSの出力Xの“0゛レベルを読込んでスレー
ブ回路SLの出力Yが“0“レベルになると、論理回路
部LGは“0”レベルを読込んでその反転レベル“1”
を出力するようになる。即ち、この時、スレーブ回路S
Lの出力Yの“0°レベルにより第1のNチャネルMO
S)ランジスタN、が非導通状態になり、これにより、
a点の電位は抵抗Rを介してvce電位にプルアップさ
れると共に、b点の電位はプルダウン回路PDにより接
地電位にプルダウンされるので、第1のバイポーラトラ
ンジスタQ1は導通状態になり、第2のバイポーラトラ
ンジスタQ2は非導通状態になり、出力信号OUTは“
1” (“H”)状態になる。
しかし、出力信号OUTが“H1状態になる直前までは
第1のNチャネルMOS)ランジスタN1が導通状態に
なっており、この第1のNチャネルMOS)ランジスタ
N、と第2のNチャネルMOS)ランジスタN2との直
列接続点の寄生容量CがVce電位から抵抗Rを介して
流れる電流により充電されている。そして、この状態で
前記したようにスレーブ回路SLの出力Yの°0“レベ
ルにより第1のNチャネルMOS)ランジスタN1が非
導通状態になって出力信号OUTが°H”状態になった
後に、再び第1のクロック信号CKが“1”レベルにな
る(ラッチモードになる)ことにより第2のNチャネル
MOS)ランジスタN2が導通すると、この第2のNチ
ャネルM OSトランジスタN2を通して寄生容ff1
Cの蓄積電荷が放電し、第4図中に点線で示すように、
この放?IS?M流が第2のバイポーラトランジスタQ
2にベース電流として供給されるようになる。
これにより、この放電期間だけ第2のバイポーラトラン
ジスタQ2が導通状態になり、この時に導通状態になっ
ている第1のバイポーラトランジスタQ1、および第2
のバイポーラ]・ランジスタQ2を通してVcc電源と
接地電位GNDとの間に貫通電流が流れてしまい、第5
図中に点線で示すように、出力信号OUTの“H″レベ
ル0.5V程度低下してしまう。
(発明が解決しようとする課届) 上記したように従来のBi−CMO3型の半導体論理回
路は、出力信号が“H″状態なった直後のラッチモード
時に、第1のクロック信号CKにより導通する第2のN
チャネルMOSトランジスタN2を通して寄生容量Cの
蓄積電荷が放電し、この放電電流が第2のバイポーラト
ランジスタQ2にベース電流として供給されるようにな
り、この放電期間だけ第2のバイポーラトランジスタQ
2が導通状態になり、この時に導通状態になっている第
1のバイポーラトランジスタQlおよび第2のバイポー
ラトランジスタQ2を通してVCC電源と接地電位GN
Dとの間に貫通電流か流れてしまい、出力信号の“H″
レベル0.5V程度低下してしまうという問題があった
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたもので、そ
の目的は、出力信号が“H”状態になった直後のラッチ
モード時に、第1のクロック信号により導通する第2の
NチャネルMOSトランジスタを通して放電する寄生容
量の蓄積電荷が第2のバイポーラトランジスタにベース
電流として供給されることを抑制でき、この放電期間に
第1のバイポーラトランジスタおよび第2のバイポーラ
トランジスタを通してVcc電源と接地電位との間に流
れる貫通電流を抑制し得る半導体論理回路を提供するこ
とにある。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は、第1のNチャネルMOSトランジスタと第2
のNチャネルMO3+−ランジスタとを直列に接続する
と共に第3ONヂヤネルMOSトランジスタと第4ON
チヤネルMOSトランジスタとを直列に接続し、この2
つの直列回路を並列に接続し、この並列接続の2つの接
続点のうち第1のNチャネルMOSトランジスタおよび
第3のNチャネルMOS)ランジスタが接続されている
一方の並列接続点と高電位側の電源との間に抵抗を接続
し、前記第1のNチャネルMOSトランジスタのゲート
には第1のデータ信号を与え、第2のNチャネルMOS
)ランジスタのゲートには第1のクロック信号を与え、
前記第3のNチャネルMOS)ランジスタのゲートには
前記第1のクロック信号とは逆相の第2のクロック信号
を与え、前記第4のNチャネルMOSトランジスタのゲ
ートには前記第1のデータ信号より前記第1のクロック
信号の活性化タイミングと前記第2のクロック信号の活
性化タイミングとの時間差程度位相が進んでいる第2の
データ信号を与える入力部と、上記一方の並列接続点に
ベースが接続される第1のバイポーラトランジスタと前
記他方の並列接続点にベースが接続される第2のバイポ
ーラトランジスタとを前記高電位側の電源と低電位側の
電源との間にトーテムポール接続してなり、上記第1の
バイポーラトランジスタと第2のバイポーラトランジス
タとの接続点から出力信号が取り出される出力部とを具
備する半導体論理回路において、前記他方の並列接続点
と前記低電位側の電源との間にスイッチ回路を接続し、
このスイッチ回路を上記第1のデータ信号が非活性状態
の期間内で前記i1のクロック信号が活性化する直前か
ら一定時間だけ導通状態に制御するようにしてなること
を特徴とする。
(作用) 出力信号が“H”状態になる直前までは第1のNチャネ
ルMOS)ランジスタが導通状態であり、この第1のN
チャネルMOS)ランジスタと前記第2のNチャネルM
OSトランジスタとの直列接続点の寄生容量がVce電
位から抵抗を介して流れる電流により充電されている。
そして、この状態で第1のデータ信号の“0°レベルに
より第1のNチャネルMOSトランジスタが非導通状態
になって出力信号が“H“状態になった後に、再び第1
のクロック信号が“1”レベルになる(ラッチモードに
なる)ことにより第2のNチャネルMOSトランジスタ
が導通ずると、この第2のNチャネルMOSトランジス
タを通して放電する寄生容量の蓄積電荷は、この直前か
ら導通状態になっているスイッチ回路を通して低電位側
の電源に放電するので、第2のバイポーラトランジスタ
にベース電流として供給されることが抑制され、この放
電期間に第1のバイポーラトランジスタおよび第2のバ
イポーラトランジスタを通してV ccm源と接地電位
との間に流れる貫通電流が抑制されるようになる。
(実施例) 以ド、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。
第1図は、Bi−MO3型半導体集積回路において、B
i−MOS型の半導体論理回路を出力回路部に使用した
D型マスタースレーブフリップフロップ回路を示してお
り、第4図を参照して前述したD型マスタースレーブフ
リップフロップ回路と比べて、スイッチ回路SWを付加
した点、クロック信号発生°回路CG′から第2のクロ
ック信号CK乃至第3のクロック信号CK’を供給して
いる点が異なり、その他は同じであるので第4図中と同
一符号を付している。
クロック信号発生回路CG’ は、クロック信号CKを
三段のCMOSインバータ(第3のCMOSインバータ
37〜第5のCMOSインバータ39)に人力し、1段
目のインバータ37の出力を第3のクロック信号CK’
 として供給し、2段目のインバータ38の出力を第2
のクロック信号CKとして供給し、3段目のインバータ
39の出力を第1のクロック信号CKとして供給してい
る。
また、スイッチ回路SWは、前記並列接続の2つの接続
点a、bのうちの他方の並列接続点すと接地電位GND
との間に接続され、スレーブ回路SLの出力Y(第1の
データ信号)が非活性状態の期間内で第1のクロック信
号CKが活性化する直前から一定時間だけ導通状態に制
御されるように構成されている。即ち、このスイッチ回
路SWは、例えば図示するように、2個のNチャネルM
OSトランジスタN5 * N6を直列に接続j1、こ
の2個のNチャネルMOSトランジスタN5゜N6の各
ゲートのうちの1つには、スレーブ回路SLの出力Y(
第1のデータ信号)とは逆相で、これより位相が少し進
んでいるデータ信号(スレーブ回路SLの第3のクロッ
クドインバータ34の出力)を与え、他の1つのゲート
には第1のクロック信号CKと同相で、これより位相が
少し進んでいる第3のクロック信号CK’を与えるよう
にしてなる。
上記り型マスタースレーブフリップフロップ回路の動作
は、基本的には、前述した従来のD型マスタースレーブ
フリップフロップ回路の動作と同様であるので、以下、
主として、上記した付加回路の動作を中心に第2図のタ
イミングチャートを参照しながら説明する。
出力信号OUTが“H″状態なる直前までは第1のNチ
ャネルMOSトランジスタN1が導通状態であり、この
第1のNチャネルMOS)ランジスタN1と第2のNチ
ャネルMOS)ランジスタN2との直列接続点の寄生容
量CがVCC電位から抵抗Rを介して流れる電流により
充電されている。そして、この状態でスレーブ回路SL
の出力Yの“0ルベルにより第1のNチャネルMOS)
ランジスタN1が非導通状態になって出力信号OUTが
“H“状態になった後に、再び第1のクロック信号CK
が′1°レベルになる(ラッチモードになる)ことによ
り第2のNチャネルMOS)ランジスタN2が導通する
と、この第2のNチャネルMOSトランジスタN2を通
して寄生容ff1Cの蓄積電荷が放電する。
この時、スイッチ回路SWに与えられるスレーブ回路S
Lの第3のクロックドインバータ34の出力は既に“1
”レベルになっており、また、第3のクロック信号CK
’  も、第1のクロック信号CKが“1ルベルになる
直前に1”レベルになっているので、寄生容fICの蓄
積電荷が放電する直前からスイッチ回路SWは導通状態
になっている。このため、寄生容量Cの蓄積電荷がスイ
ッチ回路SWを通して接地電位GNDに放電するので、
第2のバイポーラトランジスタQ2にベース電流として
供給されることが抑制され、この放電期間に第1のバイ
ポーラトランジスタQlおよび第2のバイポーラトラン
ジスタQ2を通してVee電源と接地電位との間に流れ
る貫通電流が抑制されるようになる。因みに、この貫通
電流は、従来は30mA程度であったが、本実施例では
3〜5mA程度であった。従って、この放電期間に出力
信号OUTのH“レベルは殆んど低下しない。
なお、上記したように導通状態になったスイッチ回路S
Wは、第3のクロック信号CK’が“0”レベルになる
と、非導通状態になる。従って、このスイッチ回路SW
は、第2のクロック信号CKが“1“レベルになった時
(読込みモードになった時)には、第3のクロック信号
CK’が“0″レベルになって非導通状態になっている
ので、出力回路部(論理回路部LG)の動作に何ら支障
は生じない。
また、このスイッチ回路SWが一時的に導通状態になる
のは、出力信号OUTがH“状態になった後であるので
、このスイッチ回路SWが一時的に導通状態になった時
に第2のバイポーラトランジスタQ2のベース・エミッ
タ間を短絡させることになるが、何ら支障は生じない。
因みに、出力信号OUTが“H″状態ら“L°状聾に変
化する時の伝達遅延時間tpH1、は、従来は約4.5
5ns、本実施例では約4.4nsであり、また、出力
信号OUTが“L°状態から“H“状態に変化する時の
伝達遅延時間tpLIIは、従来は約4.6ns、本実
施例では約4.65nsであり、動作速度は従来と同等
の高速性が得られた。
また、本発明の半導体論理回路は、上記実施例のD型マ
スタースレーブフリップフロップ回路の出力回路部に限
らず、D型ラッチ回路等にも適用することができる。
[発明の効果] 上述したように本発明の半導体論理回路によれば、出力
信号が“H“状態になった直後のラッチモード時に、寄
生容量からの放電電流が第2のバイポーラトランジスタ
にベース電流として供給されることを抑制でき、この放
電期間における出力用のバイポーラトランジスタの貫通
電流を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の半導体論理U路の一実施例に係るD型
マスタースレーブフリップフロップ回路を示す回路図、
第2図は第1図の回路の動作波形の一例を示すタイミン
グ図、第3図は現在提案されている半導体論理回路の一
例を示す回路図、第4図は第3図の半導体論理回路の応
用例に係るD型マスタースレーブフリップフロップ回路
を示す回路図、第5図は第4図の回路の動作波形の一例
を示すタイミング図である。 ■・・・入力部、N、−N、)・・・NチャネルMOS
トランジスタ、R・・・抵抗、SW・・・スイッチ回路
、■・・・出力部、Q、・・・第1のバイポーラトラン
ジスタ、Q2・・・第2のバイポーラトランジスタ、D
・・・入力信号、CK・・・第1のクロック信号、CK
・・・第2のクロック信号、CK’・・・第3のクロッ
ク信号、OUT・・・出力信号。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1のNチャネルMOSトランジスタと第2のN
    チャネルMOSトランジスタとを直列に接続すると共に
    、第3のNチャネルMOSトランジスタと第4のNチャ
    ネルMOSトランジスタとを直列に接続し、この2つの
    直列回路を並列に接続し、この並列接続の2つの接続点
    のうち第1のNチャネルMOSトランジスタおよび第3
    のNチャネルMOSトランジスタが接続されている一方
    の並列接続点と高電位側の電源との間に抵抗を接続し、
    前記第1のNチャネルMOSトランジスタのゲートには
    第1のデータ信号を与え、第2のNチャネルMOSトラ
    ンジスタのゲートには第1のクロック信号を与え、前記
    第3のNチャネルMOSトランジスタのゲートには前記
    第1のクロック信号とは逆相の第2のクロック信号を与
    え、前記第4のNチャネルMOSトランジスタのゲート
    には前記第1のデータ信号より前記第1のクロック信号
    の活性化タイミングと前記第2のクロック信号の活性化
    タイミングとの時間差程度位相が進んでいる第2のデー
    タ信号を与える入力部と、前記一方の並列接続点にベー
    スが接続される第1のバイポーラトランジスタと前記他
    方の並列接続点にベースが接続される第2のバイポーラ
    トランジスタとを前記高電位側の電源と低電位側の電源
    との間にトーテムポール接続してなり、前記第1のバイ
    ポーラトランジスタと第2のバイポーラトランジスタと
    の接続点から出力信号が取出される出力部と を具備する半導体論理回路において、 前記他方の並列接続点と前記低電位側の電源との間にス
    イッチ回路を接続し、このスイッチ回路を前記第1のデ
    ータ信号が非活性状態の期間内で前記第1のクロック信
    号が活性化する直前から一定時間だけ導通状態に制御す
    るようにしてなることを特徴とする半導体論理回路。
  2. (2)請求項1記載の半導体論理回路において、前記ス
    イッチ回路は、2個のNチャネルMOSトランジスタを
    直列に接続し、この2個のNチャネルMOSトランジス
    タの各ゲートのうちの1つには、前記第1のデータ信号
    とは逆相でこれより位相が少し進んでいるデータ信号を
    与え、他の1つのゲートには前記第1のクロック信号と
    同相でこれより位相が少し進んでいるクロック信号を与
    えるようにしてなることを特徴とする半導体論理回路。
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