JPH0690162A - 二電力システムのための三状態バッファ回路 - Google Patents

二電力システムのための三状態バッファ回路

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JPH0690162A
JPH0690162A JP5027802A JP2780293A JPH0690162A JP H0690162 A JPH0690162 A JP H0690162A JP 5027802 A JP5027802 A JP 5027802A JP 2780293 A JP2780293 A JP 2780293A JP H0690162 A JPH0690162 A JP H0690162A
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JP5027802A
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Takeshi Kitahara
毅 北原
Robert K Montoye
ロバート・ケイ・モントイ
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HAL Computer Systems Inc
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
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    • H03K19/094Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 3.3ボルトで動作する第一のディジタル回
路システムと5ボルトで動作する第二のシステムの間
で、ディジタル信号を送受信する。 【構成】 このバッファ回路はアクティブハイイネーブ
ル信号112とデータ信号とを三状態選択回路111の
入力として受信する。イネーブル信号がハイであるとき
はデータはドライバ段139を介して、第二のシステム
のデータバスBUSに送信される。イネーブル信号がロ
ーで、三状態選択回路の出力が高インピーダンスのと
き、BUSの信号を第一のシステムが受信する。ドライ
バクランプ回路構成要素135と、井戸電圧制御器13
7が、ドライバ段139と共に動作して、第二のシステ
ムの5ボルト電源が、3.3ボルトの回路構成要素に干
渉するのを防ぐ。クランプされたラインドライバ143
が第一のシステムから第二のシステムへ信号を送信す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子回路の設計に係
り、特に異なる電源電圧を有する回路要素を接続するC
MOS三状態バッファに関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】半導体
の相補型金属酸化物半導体(CMOS)技術の最近の進
歩は、0.5μm以下の長さの極端に狭いチャンネルの
トランジスタディバイスをもたらした。これらの狭いデ
ィバイスの一つの利点は集積回路(IC)上に密度を高
く搭載できるそれらの能力である。回路設計者たちはこ
の密度の特徴を活用して来たので、IC電力の消費が徐
々に重要な設計上の問題となり、特に携帯用のディジタ
ル装置のための低電力ディバイスを供給することが目標
である場合には問題となった。システムの電力消費を低
下させる一つの技術はIC電源電圧を典型的な5ボルト
(V)から3.0Vないし3.3Vの範囲に低下させる
ことであった。これらの低電圧システムに用いるために
設計されたCMOS ICには、ディバイスの全体的な
性能を高く維持するために薄いゲート酸化物トランジス
タが必要である。この薄いゲート酸化物により、ゲート
とドレイン間、ゲートとソース間及びゲートと背面ゲー
ト間の電圧差が制限され、より厚いゲート酸化物を用い
ている従前のトランジスタの最大電圧よりも低く制限さ
れる。
【0003】これらの薄いゲート酸化物ディバイスによ
り生じる問題は、同一のシステムに高電圧ディバイスと
それらを組み合わせて使うことが困難なことである。何
故ならば、古いディバイスに採用された電源とディバイ
ス出力の揺れが新しい高性能のディバイスの壊れやすい
酸化物層を容易く破壊することができるからである。薄
い酸化物と厚い酸化物を混ぜ合わせる技術への共通の努
力により、特別な製造工程を用いて単一の集積回路すな
わちチップ上に異なるディバイスを混ぜ合わせることが
できるようになった。この特別あつらえの製造工程は高
価であり、限られた種類のディバイスの型だけにしか利
用できない。すべての市販用の設計の目的は、利用可能
な部品と実行可能な工程とを用いて生産コストを最小に
することにあるので、必要とされていることは、より一
般的な5Vのディバイスも用いるかもしれないシステム
のこれらの低電圧ディバイスをバッファするための設計
である。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、異なる
電源電圧を有する電子システム間の低電力高性能のディ
ジタルインターフェイスのための回路設計が開示され
る。好ましい実施例のバッファは、3.3V電源により
電力を供給される集積回路システムを0Vと5Vの間で
動作する信号バスに接続する。このバッファ回路は、
3.3Vのディジタル信号の送信と5Vのシステムによ
り送信された信号の受信の両者が可能である。本バッフ
ァはフィードバック回路網を用いて出力周波数の性能を
向上させ、バッファの出力ディバイスを過度のドレイン
対ゲート電圧から保護する。背面ゲート電圧制御機構も
設けられ、5V信号がバッファ出力に存在するときに、
p物質のドレイン/ソースとpチャンネル出力ディバイ
スのn井戸との間に形成されるダイオードの順バイアス
を防止する。
【0005】
【実施例】今図1を参照すると、本発明の好ましい実施
例を採用した典型的なディジタルシステムを含む主な要
素を明らかにするブロック図が示されている。この典型
的なシステムは、複数の標準5Vディバイス104が取
り付けられたディジタルデータバス105を含む。高速
度低電力3.3V回路構成要素を利用する1個又はそれ
以上の高性能ディジタルディバイス101もデータバス
105に接続されている。ディジタルディバイス101
はバッファバス103を介してデータバス105に接続
されている。
【0006】今図2を参照すると、このブロック図はデ
ィジタルディバイス101の構成要素を詳細に示す。デ
ィバイス101は、イネーブル信号112、出力信号1
10及び入力信号108を介してバッファ回路100に
接続された3.3Vディジタル回路構成要素107を含
む。バッファ回路100はバッファバス103を0Vか
らほぼ3.3Vまで駆動でき、5Vの範囲の信号を3.
3Vの範囲の入力信号108に変換するために0Vから
5Vまで変動するバッファバス103から信号を受信す
ることができる。イネーブル信号112はアクティブハ
イ入力であり、インアクティブのロー状態にあるとき
は、バッファ回路100の出力を高インピーダンスモー
ドに駆動するように動作する。
【0007】今図3を参照すると、本発明の一実施例の
概括した又は概観のブロック図がバッファ回路100の
要素を図解している。この図は、図4及び図5により詳
細に図解する本発明の回路の一般的な例証である。三状
態選択回路111は、イネーブル信号112及び出力信
号110を含む一対の入力を受け、ドライバ回路139
にデータ信号を伝送する。イネーブル信号112がアク
ティブハイであるときは、ドライバ回路139は出力信
号110をバッファバス103に伝搬する。フィードバ
ック回路141はバッファバス103の信号を入力とし
てドライバ回路139に戻して伝搬する。ドライバクラ
ンプ回路135及び井戸電圧制御回路137もドライバ
回路139を制御するためにバッファバス103をモニ
タする。これについては以下に詳細に述べる。ラインド
ライバ143は、入力信号108を発生するためにバッ
ファバス103からデータを受け入れる。
【0008】図4を参照すると、本図はバッファ回路1
00の動作時の信号の流れを示す詳細なブロック図であ
る。バッファ回路100の動作を解析する目的で、本回
路を2個の分離したモードの動作として見ることができ
る。すなわち、送信機及びそれとは別個の受信機として
である。
【0009】[送信機モード]送信機モードにおいて
は、バッファ回路100は、(図2に示すように)ディ
ジタル回路構成要素107からデータバス105に信号
を送信する。出力信号110はバッファ回路100へ送
信され、三状態選択回路111を通る。三状態選択回路
111はイネーブル信号112に関連して作用し、イネ
ーブル信号112がローであるときにはバッファバス1
03を高インピーダンスにする。三状態選択回路111
はバッファ回路100の3.3Vシステムの理想的な信
号値に関するとして、「ハイ」はVDD(3.3V)に等
しく、「ロー」は0ボルトに等しい。この回路に印加さ
れるハイとローの実際の値は、理想的な電圧レベルから
1又はそれ以上のトランジスタのソース対ドレイン電圧
(VDS)の降下分だけずれる。このVDS降下は、典型的
には1ボルトの数10分の1のオーダーである。イネー
ブル信号112がハイの状態のときは、ディジタル回路
構成要素107からの出力信号110は三状態選択回路
111を介して低電圧ドライバ回路117に伝搬し、低
電圧ドライバ回路117で該出力信号が増幅され、バッ
ファバス103に供給される。
【0010】バッファ回路100の出力インピーダンス
を低くして、それによりバッファバス103を(VDD
源レベルに近い)高い電圧でかつ大きな電流容量で駆動
するために、本発明は、大きな縦横比(チャンネル長対
ゲート幅)を有するpチャンネルMOSトランジスタ
(Tr17)を含む高レベル出力ドライバ回路131を
利用している。大きなチャンネル容量に起因する周波数
応答の低落を緩和するために、バスモニタ127、電圧
ディバイダ129、電圧リミッタ123及び高レベル出
力ドライバ回路131を備えたフィードバック回路網が
用いられる。このフィードバック回路網141は、バス
モニタ127を介してバッファバス103の信号レベル
を連続的にサンプリングし、このサンプル信号を用いて
出力ドライバ回路131のゲート電圧を駆動することに
より動作する。バッファバス103がローであるとき
は、出力ドライバ回路131のゲート電圧は出力ドライ
バ回路131のトランジスタを介して小さいコンダクタ
ンスを維持する。バッファバス103の信号がハイにな
るときにこのディバイスを流れる起動電流に結合した遅
延が回避され、それによりバッファ回路100の周波数
応答が改良される。このフィードバック回路網は、ま
た、出力ドライバ回路131のトランジスタ(Tr1
7)のドレイン対ゲート電圧がトランジスタのゲート酸
化物層を破壊することのできる最大レベルに達するのを
防止する。典型的なMOSディバイスにおいては、この
最大電圧レベルはほぼ4Vである。
【0011】[受信モード]バッファ回路100が受信
モードで動作するときは、5Vのディジタル信号がデー
タバス105からバッファバス103に転送される。こ
のモードは、イネーブル信号112がローで三状態選択
回路111の出力が高インピーダンスであるときはいつ
でも選択される。前記5Vの信号はバッファバス103
から電圧リミッタ125を介して5Vの電圧範囲からデ
ィジタル回路構成要素107の3.3V電源範囲に縮小
される。今制限された3.3Vの信号は、次にラインド
ライバ回路124を介して入力信号108に沿ってディ
ジタル回路構成要素107に送信される。
【0012】ディジタルディバイス101とデータバス
105の間で異なる電源電圧レベルを用いることは、高
レベル出力ドライバ回路131にとって特別な困難をも
たらす。出力ドライバ回路131のpチャンネルMOS
トランジスタ(Tr17)はVDD(3.3V)のソース
電圧レベルで動作する。このトランジスタのn井戸がソ
ースに結び付けられている場合は、pチャンネルの動作
にとって通例であるように、データバス105から入っ
てくる信号からドレインに印加される5V信号によりこ
のようなトランジスタのドレインとn井戸接合により生
じるダイオードが順バイアスされ、それによりVDD電源
に短絡した状態ができるであろう。高レベル出力ドライ
バ回路131のpチャンネルトランジスタを有効に動作
させるために、井戸電圧制御回路が、例えば出力ドライ
バ回路131のpチャンネルトランジスタに印加された
バッファバス103から入ってくる信号の電圧と少なく
とも同じ高さのレベルに背面ゲート又はn井戸の電圧を
保つことが必要である。そこでn井戸電圧制御回路13
7は、バッファ回路100が受信モードにあるときに
は、出力ドライバ回路131の背面ゲート電圧がバッフ
ァバス103上の電圧に追従できるようにしなければな
らず、バッファ回路100が送信モードで動作している
ときには背面ゲート電圧をVDDに設定しなければならな
い。井戸電圧制御回路137は、バッファバス103の
電圧をモニタし、高レベル出力ドライバ回路131の背
面ゲート電圧を、VDDより高いレベル及び入ってくる信
号がVD Dを超えるときにはデータバス103の電圧に等
しく維持するために機能している。
【0013】VDDを超えるバッファバス103の電圧の
結果として発生する別の困難は、トランジスタの反転の
問題である。受信モードの間出力ドライバ回路131を
完全にターンオフするために、ゲート電圧はVDDのソー
ス電圧に等しく設定される。しかし、ソース電圧を超え
るドレイン電圧が出力ドライバ回路131のトランジス
タ(Tr17)に印加されたときは、トランジスタチャ
ンネルは反転し、ドレインからソースに導通し始める。
電圧差はドレインとゲートの間に存在するので、この反
転したトランジスタの出力インピーダンスは急激に低下
し、データバス105に沿った電圧レベルを3.3Vに
低下させるかもしれない。この問題は、本発明により、
電圧ディバイダ133と共にドライバクランプ回路13
5を用いることに関連させられる。ドライバクランプ回
路135と電圧ディバイダ133は、バッファバス10
3の電圧がVDDを超えるときは、出力ドライバ回路13
1のトランジスタ(Tr17)のゲート電圧をバッファ
バス103の電圧に等しいレベルに維持する。
【0014】今図5を参照すると、この詳細な略図は、
本発明の一実施例に従ってバッファ回路100を構成す
るトランジスタ回路を図解する。三状態選択回路111
は、トランジスタTr42、Tr44、Tr46、Tr
48、Tr50、Tr52、Tr54、Tr56、Tr
58、Tr60、Tr62、Tr64、Tr66及びT
r68を含む。トランジスタTr42、Tr44、Tr
46及びTr48は連合して、イネーブル信号112が
ハイであるときにTr70のゲートを出力信号110で
駆動するNANDゲートを作り出す。イネーブル信号1
12がローであるときは、Tr70のゲートは、Tr7
0を遮断するハイに駆動される。トランジスタTr5
0、Tr52、Tr54、Tr56、Tr58及びTr
60は、出力信号110とイネーブル信号112の逆と
を結合するNANDゲートを形成する。トランジスタT
r62、Tr64、Tr66及びTr68は、イネーブ
ル信号112がハイであるときに出力信号110を伝搬
する低電圧ドライバ回路117を形成してTr70の相
補素子として機能するTr1のゲートに対するドライバ
回路139を形成する。イネーブル信号112がローで
あるときは、Tr70とTr1の両者が遮断され、それ
によりバッファバス103に高インピーダンスが現れ
る。トランジスタTr2は、データバス105からVDD
に入ってくるすべての信号をそれらが低電圧ドライバ回
路117の相補ドライブトランジスタTr70及びTr
1に到達する前にクランプすることにより電圧リミッタ
として機能する。このTr2による電圧制限は、バッフ
ァ回路100が受信モードで動作している間低電圧ドラ
イバ回路117を介して5Vの信号が漏れて戻ることか
ら保護する。
【0015】電圧リミッタ125は、入ってくる信号を
DDの電圧レベルにクランプすることにより、Tr2の
機能と同様な機能をするトランジスタTr3を含む。ラ
インドライバ回路124は、入力信号108を発生する
一対の直列インバータを形成するトランジスタTr7
2、Tr74、Tr76及びTr78を含む。バスモニ
タ127は、図示するように、インバータを構成するト
ランジスタTr4及びTr5を含む。
【0016】電圧ディバイダ129は、トランジスタT
r8、Tr9、Tr10及びTr11を含み、それらは
バッファバス103がハイであるときにTr82のソー
スにほぼVDD/2に等しい出力電圧を作り出す。この電
圧は、インバータ119(Tr6及びTr7)と共に高
レベル出力ドライバ回路131のトランジスタTr17
を駆動するために結合するインバータ121(Tr80
及びTr82)の出力に反射される。上に論じたよう
に、この出力ドライバ回路131のフィードバック経路
はTr17のゲート電圧がTr17トランジスタを飽和
状態に駆動し、それによりそのスィッチング速度を低下
させるのを防止する。電圧リミッタ123(Tr12及
びTr13)は、高電圧がバッファバス103に現れた
ときに電圧ディバイダ129上に5V信号が現れること
を防止する。
【0017】上に論じたように、井戸電圧制御回路13
7が、バッファバス103上の電圧をモニタし、Tr1
7の背面ゲート電圧を約3.3Vに、かつ入ってくる信
号の電圧がVDDを超えているときにはデータバス103
の電圧に等しく維持する。井戸電圧制御回路137は、
トランジスタTr19、Tr20、Tr21、Tr22
及びTr23を含む。バッファバス103がハイになる
と、トランジスタTr5の出力がローとなってトランジ
スタTr23をターンオフする。トランジスタTr20
のゲートは弱くバイアスされたトランジスタTr19の
バイアスレベルによりプルアップされ、トランジスタT
r20を遮断する。電圧ディバイダ133によりやはり
ほぼ2VDD/3に弱くバイアスされたトランジスタTr
21は、ドレインに結合されたそのn井戸を有し、トラ
ンジスタTr20が遮断した場合にはこのn井戸電圧は
バッファバス103の電圧にプルアップされる。バッフ
ァバス103の電圧がローになると、トランジスタTr
5の出力がハイになり、トランジスタTr23をターン
オンさせる。トランジスタTr20のゲート電圧はアー
スにプルダウンされ、トランジスタTr20が導通し、
前記n井戸をVDDに引く。
【0018】トランジスタTr18は、バッファバス1
03がVDDを超えたときに、出力ドライバ回路131の
トランジスタ(Tr17)のゲート電圧をバッファバス
103に等しいレベルに保つ機能を果たすドライバクラ
ンプ回路135を実現する。イネーブル信号112がロ
ーであるときは(バッファ回路100が受信モードにあ
るとき)、トランジスタTr6の出力がローに駆動さ
れ、トランジスタTr82の出力がハイに駆動され、ト
ランジスタTr17が遮断される。バッファバス103
がVCC(5V)に高くなりVDDを超えると、トランジス
タTr17のドレイン電圧は該トランジスタのソース電
圧を超えて、逆方向の電流が発生する。このことを防止
するために、トランジスタTr18がトランジスタTr
17のゲートに挿入され、トランジスタTr17のゲー
トに対するプルアップトランジスタとして機能する。ト
ランジスタTr17のドレイン電圧がVDDより高く上昇
すると、トランジスタTr18は弱く導通し、トランジ
スタTr17のゲートがトランジスタTr17のドレイ
ン電圧に追従できるようにし、それによりトランジスタ
Tr17を遮断状態に保つ。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、特殊な製造技術を用い
ないで、低生産コストで、出力周波数特性を向上させ
て、同一のシステムに高電圧ディバイスと消費電力の低
い低電圧ディバイスとを低電圧ディバイスを破壊するこ
となく安全に組み合わせて使うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 0Vと5Vの間で動作するディジタルバスの
接続された本発明を含む3.3V高性能ディバイスの接
続を示すブロック図である。
【図2】 3.3Vディジタル回路構成要素と本発明の
バッファ回路を含む図1の3.3Vディバイスの概観を
示すブロック図である。
【図3】 本発明のバッファ回路の数個の特徴を示す概
括したブロック図である。
【図4】 本発明のバッファ回路の詳細な信号の流れを
示すブロック図である。
【図5】 図3のバッファ駆動回路の回路図である。
【符号の説明】
100 バッファ回路 101 高性能ディジタルディバイス 103 バッファバス 104 5Vディバイス 105 データバス 107 ディジタル回路構成要素 111 三状態選択回路 117 低電圧ドライバ回路 123 電圧リミッタ 124 ラインドライバ回路 127 バスモニタ 129 電圧ディバイダ 131 高レベル出力ドライバ回路 133 電圧ディバイダ 135 ドライバクランプ回路 137 井戸電圧制御回路 139 ドライバ回路 141 フィードバック回路網 143 ラインドライバ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】低い電源電圧を有する第一のシステムと高
    い電源電圧を有する第二のシステムとの間でディジタル
    データを送信するためのバッファ回路であって、 前記第一のシステムからのイネーブル入力信号を受信す
    るように接続されたイネーブル入力と、前記第一のシス
    テムからのデータ入力信号を受信するように接続された
    データ入力と、前記イネーブル入力信号によりイネーブ
    ル状態とディスエーブル状態とに動作して、データ信号
    を前記イネーブル信号の状態により決定されたように選
    択的に伝搬できるデータ出力とを有する前記第一のシス
    テムから前記第二のシステムへのデータの送信を制御す
    るためのイネーブル手段と、 前記イネーブル手段のデータ出力に接続された第一の入
    力と、第二の入力と、ドライバ出力とを有する前記イネ
    ーブル手段から受信したデータを伝搬するためのドライ
    バ手段と、 前記ドライバ手段の出力信号をモニタし、該出力信号を
    前記ドライバ手段の第二の入力に伝搬するためのフィー
    ドバック手段ととを備えたことを特徴とするバッファ回
    路。
  2. 【請求項2】前記イネーブル手段により前記第一のシス
    テムから前記第二のシステムへの送信がディスエーブル
    とされているときに、前記第二のシステムの電圧レベル
    が前記ドライバ手段中に入り込むことを防止するため
    の、前記ドライバ出力とドライバ手段に接続されたドラ
    イバクランプ手段を更に備えた請求項1記載のバッファ
    回路。
  3. 【請求項3】前記回路がCMOSで実現されている請求
    項1記載のバッファ回路。
  4. 【請求項4】前記ドライバ手段が、信号電力を該ドライ
    バ手段の出力信号に供給するためにn井戸の上に構成さ
    れたpチャンネル出力トランジスタを更に備えた請求項
    3記載のバッファ回路。
  5. 【請求項5】前記ドライバ出力に現れている電圧に少な
    くとも等しく、前記第一のシステムの低い電源電圧より
    も決して低くないレベルにn井戸背面ゲートを維持する
    ために前記ドライバ出力と前記出力トランジスタのn井
    戸との間に接続された井戸電圧制御手段を更に備えた請
    求項4記載のバッファ回路。
  6. 【請求項6】前記第二のシステムに接続された入力と、
    前記第一のシステムに接続された出力とを有する前記第
    二のシステムから前記第一のシステムにディジタルデー
    タを送信するための受信手段を更に備えた請求項1記載
    のバッファ回路。
  7. 【請求項7】前記受信した信号の電圧レベルを前記第一
    のシステムの電源電圧よりも高くない値に低下させるた
    めの電圧制限手段を更に備えた請求項6記載の受信手
    段。
  8. 【請求項8】低い電源電圧を有する第一のシステムと高
    い電源電圧を有する第二のシステムとの間で、ドライバ
    と該ドライバに接続された出力バスとを有するバッファ
    回路を用いてディジタルデータを送信するための方法で
    あって、 前記第一のシステムから前記第二のシステムへデータを
    送信するために前記バッファ回路をイネーブルにするス
    テップと、 前記ドライバにデータを受信するステップと、 該ドライバから前記第二のシステムに前記出力バスに沿
    ってデータを送信するステップと、 前記出力バスから前記ドライバの入力に信号をフィード
    バックするステップと、 前記第一のシステムから前記第二のシステムへの送信が
    完了したときに前記バッファ回路をディスエーブルにす
    るステップとを備えたことを特徴とする方法。
  9. 【請求項9】前記バッファがドライバクランプを追加的
    に含み、 前記第二のシステムの電源からの電圧レベルが前記ドラ
    イバを通って三状態イネーブルの方向に戻って伝搬する
    のを防止するために前記ドライバをクランプするステッ
    プを更に備えた請求項8記載の方法。
  10. 【請求項10】前記ドライバがpチャンネルMOS出力
    トランジスタを備え、前記送信ステップが、周波数応答
    を改善する目的でpチャンネルディバイスを通る少なく
    とも最小の電荷の導通を常に維持するステップを更に備
    えた請求項8記載の方法。
  11. 【請求項11】前記ドライバが、背面ゲート電圧を有す
    るn井戸の上に構成されたpチャンネルMOS出力トラ
    ンジスタを備え、前記送信ステップが、前記出力バスに
    現れている電圧に少なくとも等しく、前記第一のシステ
    ムの低い電圧よりも決して低くないレベルに前記n井戸
    の背面ゲート電圧を維持するステップを更に備えた請求
    項8記載の方法。
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