JPH10233674A - 高電圧耐性の3ステート出力バッファ - Google Patents

高電圧耐性の3ステート出力バッファ

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JPH10233674A
JPH10233674A JP9333425A JP33342597A JPH10233674A JP H10233674 A JPH10233674 A JP H10233674A JP 9333425 A JP9333425 A JP 9333425A JP 33342597 A JP33342597 A JP 33342597A JP H10233674 A JPH10233674 A JP H10233674A
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transistor
voltage
gate
output buffer
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JP9333425A
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Terence G W Blake
ジー ダブリュー ブレイク テランス
Bernhard Andresen
アンダーセン バーナード
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Texas Instruments Inc
Original Assignee
Texas Instruments Inc
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Publication date
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/003Modifications for increasing the reliability for protection
    • H03K19/00315Modifications for increasing the reliability for protection in field-effect transistor circuits
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C7/00Arrangements for writing information into, or reading information out from, a digital store

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 出力Pチャンネル・プルアップ・トランジス
タ(TR)のゲート酸化物を損傷することのない高電圧
耐性の3ステート出力バッファを提供する。 【解決手段】 出力プルアップTR22のゲートがPチ
ャンネル制御TR28を介して入力駆動信号に接続す
る。制御信号は過電圧状態中にのみ導通状態となる分路
PチャンネルTR66によって出力ノードから隔離され
る。通常作動中、制御TR28は導通状態に維持され、
出力プルアップTRのゲートが高、低に引かれる。過電
圧状態中、出力ノード20と制御28間に接続された分
路PチャンネルTR66がオンとなり、制御TR28を
効果的にオフにする。出力PチャンネルTR22は、最
初にhiZ状態から外れ、入力部100に論理高信号が
あるときに、ゲート酸化物を横切る過剰電圧から保護さ
れる。このために、TR120,122を含むNAND
機構が用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】半導体集積回路(ICS )の密度が高まっ
たため、それに与えられる電源電圧レベルがそれ相当に
低減されてますます小さくなる装置寸法を横切る電圧差
の悪影響が減ってきている。半導体装置の初期には、電
圧レベルはほぼ±12ボルトであった。中期の1970
年代には、電圧レベルは5ボルトまで低下し、必要なの
はただ1種類の電圧レベルでよかった。最近では、公称
5ボルトから3.3ボルトに変化している。しかしなが
ら、この電圧の変化はすべてのパーツには及んでおら
ず、半導体パーツがいまや混ざり合っているので、3.
3ボルト装置を5.0ボルト装置につなげる必要も出て
きている。したがって、チップ設計者は作動電圧よりも
高い出力ピンレベルも受け入れなければならなくなって
いる。すなわち、3.3ボルトパーツが5.0ボルトレ
ベルに耐えることができなければならないのである。こ
のことはPCIバスのような状況でますます激化してお
り、電圧が5.9ボルトレベルより上のシングル・ダイ
オード電圧降下まで上昇する可能性すらある。
【0002】5.0ボルト環境で3.3ボルトパーツを
作動させる際に存在する問題の1つは、3.3ボルトパ
ーツのトランジスタをゲート酸化物層を持つように設計
したときにこのゲート酸化物層が反転層とゲートの間の
フル5.0ボルトレベルに耐えられないということであ
る。したがって、プルアップPチャンネル・トランジス
タとプルダウンNチャンネル・トランジスタとからなる
普通の出力ドライバはNチャンネル・トランジスタのド
レン、ゲートを横切るフル5.0ボルトレベルを生じさ
せ、その長期間動作および信頼性を損なうのである。こ
の問題は、普通、Nチャンネル・プルダウン・トランジ
スタと直列にカスケード・トランジスタを追加し、その
ゲートをVDDに接続することによって解決できる。別の
問題はPチャンネル・トランジスタが普通製作されるN
ウェルに関するものである。ウェルそれ自体は、3.3
ボルト出力限度の下で作動するときには充分であるVDD
につながっている。電圧がこのレベルより上に上昇する
ときにはいつでも、ソース/ドレン対ウェルPNジャン
クションが順方向にバイアスされ、電流が出力パッドか
ら3.3ボルト供給パッドまで引かれることになる。こ
れは、普通、「フローティング・ウェル」を持たせるこ
とによって解決してきた。このフローティング・ウェル
は、出力パッド上の出力電圧に応じて3.3ボルトレベ
ルと5.0ボルトレベルの間で切り換わる。
【0003】存在する第3の問題は、3ステート動作に
おけるhiZ状態中、出力電圧が5.0ボルトになると
きはいつでもPチャンネル・プルアップ・トランジスタ
がオンになる可能性があるということである。この問題
は、1992年11月3日にDobberpuhlに発行された米
国特許第5,160,855号に記載されている。この米国特許
は参考資料としてここに援用する。Dobberpuhlに記載さ
れているバッファは、出力電圧が3.3ボルト電源レベ
ルを超えたときにはいつでもPチャンネル・プルアップ
・トランジスタを確実にオンとしない回路を利用してい
る。しかしながら、Dobberpuhlの回路はPチャンネル・
プルアップ・トランジスタを完全にすべての状態に維持
することはなく、したがって、回路の電源レベルを上昇
させる電流スパイクや漏洩電流を生じさせるであろう或
る種の状態は残る。
【0004】付加的な問題が、回路がhiZ状態から外
れ、出力が高に駆動されようとしており、3.3ボルト
よりも大きい電圧が出力部に存在するときにある。この
状態では、Pチャンネル・プルアップ・トランジスタは
そのゲートを低に引き下げられ、これがPチャンネル・
プルアップをゲート酸化物を横切って存在するVDDより
も大きくする可能性がある。
【0005】
【発明の概要】ここに開示し、特許請求の範囲に記載す
る本発明は、高インピーダンス状態で作動して出力端子
に高インピーダンスを与え、正規の低インピーダンス状
態で作動して入力端子で論理入力を受け取り、出力端子
を対応する論理状態に駆動する3ステート出力バッファ
を包含する。この出力バッファには出力Pチャンネル・
プルアップ・トランジスタが組み合わせてあり、この出
力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタは出力端子
と電源ノードの間に接続してある。この出力バッファ
は、出力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタのゲ
ート酸化物を保護するための保護回路を包含する。この
保護回路は、出力バッファの作動モードが高インピーダ
ンス状態から低インピーダンス状態に変化し、入力論理
状態が、低インピーダンス状態における出力Pチャンネ
ル・プルアップ・トランジスタによってバッファの出力
を高に引くような状態であるときに出力Pチャンネル・
プルアップ・トランジスタをオンにする駆動装置を包含
する。Pチャンネル・プルアップ・トランジスタのゲー
ト酸化物を横切る最大電圧を第1の所定電圧に制限する
制限装置が設けてある。これにより、第1所定電圧を超
える過剰電圧を出力部に配置することができる。この状
態の下では、出力Pチャンネル・プルアップ・トランジ
スタのゲート酸化物を横切る電圧は第1所定電圧を超え
ることはなく、出力Pチャンネル・プルアップ・トラン
ジスタのゲート酸化物を損傷することはない。
【0006】本発明の別の特徴では、制限装置は、第1
所定電圧以下の値だけ出力端子上の電圧よりも低い電圧
レベルまで出力Pチャンネル・プルアップ・トランジス
タのゲートを条件付きで引き下げる条件付きプルダウン
回路を包含する。それ故、このプルダウン装置は、出力
部の電圧が第1所定電圧以下であるときに、出力Pチャ
ンネル・プルアップ・トランジスタのゲートを低論理レ
ベルに引き下げる。本発明およびその利点をより完全に
理解してもらうために、以下、添付図面を参照しながら
説明を行う。
【0007】 〔発明の詳細な説明〕 まず図1を参照して、ここには、Dobberpuhlに発行され
た上記の米国特許第5,160,855号(参考資料としてここ
に援用する)の教示を含む従来技術の出力バッファ回路
が示してある。この出力バッファは2つの入力、すなわ
ち、DRV_HIGHと記すライン10上の高入力駆動信号
と、DRV_LOWと記すライン12上の低駆動信号とを受け
取る。これらの駆動信号の一方のみが通常動作中の任意
所与の時点で高となり得るが、両方が共に低であっても
よい。低駆動信号は「Q1」と記すNチャンネル・トラ
ンジスタ14を駆動し、このNチャンネル・トランジス
タのソース/ドレン経路は、片側でアースに接続してお
り、反対側で「Q2」と記すNチャンネル・トランジス
タ16のソース/ドレン経路の片側に接続してある。ト
ランジスタ16のゲートはVDDと記す電源ノード18に
接続している。一般的に、「供給電圧」は、VDDである
「作動電圧」として定義される。ここで利用される例で
は、VDDは約3.3V±0.3Vであり、パッド電圧は
0.0ボルトから5.0V=0.5Vである。トランジ
スタ16はNチャンネル・トランジスタ14を持ったカ
スケード形態となっている。トランジスタ16のソース
/ドレン経路の反対側は出力ノード20に接続してあ
り、この出力ノード20は「Q6」と記したプルアップ
Pチャンネル・トランジスタ22のソース/ドレン経路
の片側に接続してある。トランジスタ22のソース/ド
レン経路の反対側は電源ノード18に接続してある。
【0008】プルアップ・トランジスタ22のゲートに
対する駆動信号はライン10上の高駆動信号によって与
えられる。この信号はインバータ24を通してノード2
6に入力され、このノード26はPチャンネル・トラン
ジスタ28のソース/ドレン経路の片側に接続し、その
反対側はノード23上のプルアップ・トランジスタ22
のゲートに接続している。トランジスタ28は「Q5」
と記してある。トランジスタ28のゲートは出力ノード
20に接続してある。トランジスタ28はそれと並列に
配置したNチャンネル・トランジスタ30のソース/ド
レン経路を有し、このNチャンネル・トランジスタ30
のゲートは電源ノードに接続してあり、「Q3」と記し
てある。Pチャンネル・トランジスタ32のソース/ド
レン経路はトランジスタ22のゲートと出力ノード20
との間に接続してあり、「Q4」と記してある。
【0009】ここで、このシステムが通常動作モードに
あり、高駆動信号が低であり、低駆動信号が高であると
きにはいつでも、このシステムがトランジスタ14をオ
ンとし、ノード20を引き下げ、トランジスタ28をオ
ンにすることは了解されたい。トランジスタ28がオン
になると、トランジスタ22のゲートが高に引かれ、ト
ランジスタ22をオフにする。反対の論理状態では、ラ
イン12上の低駆動信号は低となり、トランジスタ14
をオフにし、ライン14上の高駆動信号は高となり、ノ
ード26を低に引いてトランジスタ22をオンにする。
動作時、ノード20上の出力電圧がVDDより低い場合、
トランジスタ32はカットオフされ、ノード26上の電
圧はトランジスタ22上にゲート電圧を設置する。しか
しながら、出力電圧がVDDよりも大きい場合には、トラ
ンジスタ32が導通状態となり、トランジスタ22のゲ
ート上の電圧がノード20上の電圧となる。ノード26
上の電圧が低であるとき、トランジスタ30は導通状態
であり、トランジスタ22のゲートは0.0ボルトまで
低となる。これにより、ノード20上の出力電圧がVDD
となる。したがって、トランジスタ28、32がオフと
なる。あるいは、ノード26が高であり、ライン12上
の駆動信号が低のとき、出力ドライバ・ステージに対す
る外部の条件に応じて、出力は0.0ボルトから5.0
ボルトまでの任意の電圧に置かれ得る。この後者のモー
ドは出力バッファの第3作動状態、hiZ状態である。
【0010】Pチャンネル・トランジスタ22、28、
32の各々は「フローティング・ウェル」トランジスタ
である。これらのトランジスタはそのウェルをフローテ
ィング・ウェル電圧ノード34に接続している。Pチャ
ンネル・トランジスタ36、38の各々は、そのソース
/ドレン経路を電源ノード18とフローティング・ウェ
ル・ノード34の間に接続している。トランジスタ38
のゲートはフローティング・ウェル・ノード34に接続
してあり、トランジスタ36のゲートは出力ノード20
に接続してある。したがって、出力ノード20が低に引
かれたときはいつでも、電圧VDDはフローティング・ウ
ェル・ノード34に接続されることになる。出力電圧が
DDより上であるときはいつでも、トランジスタ36は
オフとされる。トランジスタ36、38は、それぞれ、
「Q7」、「Q8」と記してある。
【0011】「Q9」と記してあるPチャンネル・トラ
ンジスタ42はそのソース/ドレン経路をノード44と
フローティング・ウェル電圧ノード34の間に接続して
いる。ノード44は「RI」と記す抵抗器46の片側に
接続してある。RIの反対側はノード20に接続してい
る。トランジスタ42のゲートはVDD電圧レベルに接続
してある。トランジスタ42のウェルはフローティング
・ウェル電圧ノード34に接続してある。Pチャンネル
・トランジスタ48のソース/ドレン経路がノード44
とフローティング・ウェル・ノード34の間に接続して
あり、そのゲートはフローティング・ウェル・ノード3
4に接続してある。トランジスタ48は、そのフローテ
ィング・ウェルがフローティング・ウェル電圧ノード3
4に接続してあるフローティング・ウェル・トランジス
タである。トランジスタ42は、ノード44がVDDより
上まで上昇したときにはいつでもオンとされ、その結
果、ノード44上の電圧がフローティング・ウェル電圧
ノード34に加えられることになる。同時に、トランジ
スタ36がオフとされ、トランジスタ38がオフとされ
ることになる。
【0012】hiZ信号が存在する状況(DRV_LO
W、DRV_HIGHが共に低である)で、出力の電流
状態がVDDである状況では、すなわち、トランジスタ2
2が予めオンであるときには、フローティング・ウェル
・スイッチ・トランジスタ36、38、42、48のす
べてはオフとされることになる。これはウェル漏洩がウ
ェル−pmoatジャンクションを順方向にバイアスす
るに充分に引き下がられ得るという事実により望ましく
ない状態である。これが起きると、漏洩電流を掛けたh
FEがpmoat(エミッタ)/ウェル(ベース)/サブ
ストレート(コレクタ)寄生トランジスタを通してサブ
ストレート内にダンプされることになる。図1の出力バ
ッファと共に存在する第2問題は出力トランジスタ22
をオフにする。通常の動作においてトランジスタ22の
出力のゲートはトランジスタ28、30からなるトラン
スミッション・ゲートを通して送られるDRV_HIG
H信号によって制御される。トランジスタ32は、パッ
ドが5ボルトにあるときにゲートを制御する。この状態
はhiZ状態においてのみ起こり得る。出力がhiZ
で、レベルが20の出力部上で3.0ボルトである状態
では、トランジスタ30、32、28はすべてオフであ
る。これにより、トランジスタ22のゲートが「浮動す
る」ことができる。トランジスタ22を高に保持する何
もなければ、トランジスタ22のゲート電圧は、電源ノ
ード18から出力ノード20までの出力漏洩電流を高め
るに充分な量を導くことになる点まで低下する。さら
に、通常動作において出力論理「1」から論理「0」へ
の移行状態の下では、トランジスタ28は、出力が論理
「0」に近づき、トランジスタ30がトランジスタ22
を完全にオフにできなくなるまでオフにされることにな
る。これはトランジスタ22をオフにする速さを遅く
し、電源電流スパイクを高め、これが切り換えノイズを
高める。
【0013】次に図2を参照して、ここには、図1の出
力バッファに関して上述した問題のいくつかと取り組ん
でいる3ステート出力バッファの概略図が示してある。
図1と図2の間の同様のパーツは同じ参照符号と同じ名
称を利用する。たとえば、トランジスタ14、16は同
じであり、出力ノード20とアースの間に配置してあ
る。プルアップ・トランジスタ22はノート20とVDD
の間に接続してあり、そのゲートは2つの並列に接続し
たトランジスタ28、30のソース/ドレン経路の片側
に接続してあり、その反対側はノード26に接続してあ
る。「Q4」と記したトランジスタ32はトランジスタ
22のゲートと出力ノード20の間に接続してある。ト
ランジスタ32のゲートはVDDに接続してある。抵抗器
46がノード20とノード44との間に接続してあり、
静電保護装置(ESD)がノード44上に配置してあ
る。これは、カソードが5ボルト電圧レベルVDD5 に接
続し、アノードがノード44に接続してあるダイオード
60からなる。SCRのカソードがノード44に接続し
てあり、カソードがアースに接続してある。
【0014】従来構造と図2の実施例の1つの主要な差
異は、ソース/ドレン経路がノード20とノード68の
間に接続してあり、ゲートがVDDに接続しているPチャ
ンネル・トランジスタ66が設けてあるということであ
る。こうすると、トランジスタ66はトランジスタ28
のゲートをノード20から隔離する。ノード68がNチ
ャンネル・トランジスタ72のソース/ドレン経路の片
側に接続してあり、このトランジスタ72のゲートはV
DDに接続してある。ノード74が電流源76の片側に接
続してあり、この電流源の反対側はアースに接続してあ
る。ノード74はNチャンネル・トランジスタ78のソ
ース/ドレン経路の片側にも接続してあり、このトラン
ジスタ78の反対側はアースに接続してある。Nチャン
ネル・トランジスタ78のゲートはノード82に接続し
ている。ノード68はPチャンネル・トランジスタ89
のゲートも駆動するが、このトランジスタ89のソース
/ドレン経路は、VDDと図1のフローティング・ウェル
電圧ノード34に類似したフローティング・ウェル電圧
ノード86との間に接続してある。Pチャンネル・トラ
ンジスタ22、28、32、66、89、36、42
は、すべて、ノード86に接続したウェルを有する。
【0015】ノード86は出力ノード20またはVDD
いずれかに接続する切り換え式ノードである。これは、
Pチャンネル・トランジスタ88のソース/ドレン経路
をV DDとノード86の間に接続し、ゲートをノード20
に接続し、NウェルをNウェル電圧ノード86に接続す
ることで容易に行える。Pチャンネル・トランジスタ9
0のソース/ドレン経路が出力ノード20とNウェル電
圧ノード86の間に接続してあり、そのゲートがVDD
接続してあり、そのウェルがNウェル電圧ノード86に
接続してある。駆動信号は、NANDゲート94とNO
Rゲート96とからなる論理回路から与えられる。NO
Rゲート96の一方の入力部は信号GZを配置した入力
ノード98に接続してあり、その他方の入力部は信号
「A」(すなわち、入力駆動信号)を配置したノード1
00に接続してある。NANDゲート94の一方の入力
部はノード100に接続してあり、その他方の入力部は
ノード82に接続してあり、このノード82はインバー
タ102の出力部に接続してある。インバータの入力部
はノード98に接続してある。通常の作動状態では、信
号GZは低であり、NORゲート96の出力部がライン
100上の信号によって制御される。また、ノード82
は高であり、NANDゲート94の出力がノード100
上の信号によって制御される。したがって、ノード10
0は論理「1」の状態と論理「0」の状態の間で変化
し、出力ノード20上の信号がこの論理状態と位相が同
じとなり、これが普通の動作である。hiZ動作時に
は、ノード98上の信号が高に上昇し、NORゲート9
6の出力を低にし、トランジスタ14をオフにし、NA
NDゲート94の出力をノード26上で高にし、トラン
ジスタ22をオフにする。ノード82はトランジスタ7
8も制御し、通常の動作モードでは、トランジスタ78
を導通状態にし、hiZ状態では非導通状態にする。こ
の状態では、電流源76はノード74から電流を引くこ
とになる。
【0016】バッファがアクティブのとき、トランジス
タ78はトランジスタ72を介してノード68上のトラ
ンジスタ28のゲートを低に引く。トランジスタ72は
トランジスタ78上のストレスを低減する保護装置とし
て利用される。これは、トランジスタ16がトランジス
タ14を保護する要領と同様の要領で達成される。すな
わち、トランジスタ72を横切って存在し得る最高電圧
がVDDとノード20上の電圧との差となる要領で達成さ
れる。それに対して、低に引かれたトランジスタ78の
ゲートはノード74上に同じ電圧を見い出すことはな
い。ノード74がVDDより低い1つの閾値電圧でなけれ
ばならないからである。ノード68を低に維持すること
によって、ノード26上の電圧が高のとき、トランジス
タ22のゲート上の電圧は、図1の出力バッファの場合
と同様に、「衰弱」することはない。したがって、これ
により、ノード26、20の両方が論理「1」状態にあ
るときにトランジスタ28を遮断する従来のバッファに
存在した出力漏洩電流および貫流電流スパイクを排除す
ることができる。
【0017】トランジスタ89は、ノード20が論理
「1」、すなわち、3.3ボルトに置かれているときで
も、ウェルをVDDまで確実に高にクランプするように作
動する。これは、ノード68が低に引かれ、トランジス
タ66がオフとされるという事実による。図1の従来の
システムでは、ノード20が高のときにトランジスタ3
6(Q7)をオフにすることができた。Pチャンネル・
トランジスタのウェルがアースとVDDの間のすべての電
圧レベルに対してVDDに確実に接続するようにすること
によって、本発明はサブストレート漏洩電流を排除する
ことができる。出力がhiZ状態になったとき、トラン
ジスタ78はオフとされるが、電流源76はノード74
を通りアースまで流れ、トランジスタ72を通る電流を
維持する。電流源76は、基本的に、ドレン対ソース電
圧がゼロになると電流がゼロに近づくように長チャンネ
ルNMOS装置で作ることができる。ノード20上の電
圧がVDDとアースの間にある限り静的電流が引かれるこ
とはない。ノード20上の電圧がVDDより上になると、
トランジスタ66がオンとなり、トランジスタ89、2
8をそれらのゲート電圧をノード20上の電圧に引くこ
とによって遮断する。しかしながら、電流はノード20
から電流源76を通って引かれ続ける。このときの値は
I1である。この電流は、一実施例では、最大85μA
と特定されている。
【0018】図2の実施例と従来技術との3つの主要な
差異は、まず、出力バッファがhiZ状態にあり、VDD
が出力ノードに与えられたときにトランジスタ28がア
クティブ状態に維持されるということである。これは、
トランジスタ22、すなわち、駆動トランジスタがオフ
となってhiZ状態でのいかなる漏洩電流も阻止するこ
とを保証する。第2に、出力ノードが3.3ボルト、す
なわち、論理「1」であるときに、出力が5.0ボルト
または0.0ボルトであるときにのみ低電圧に維持する
従来技術と異なり、Nウェル・バイアスが低電圧に維持
されるようにトランジスタ89を追加したことである。
第3に、トランジスタ28が常にアクティブ状態にある
ので、出力ノード20に接続したゲートを持つ代わり
に、論理「1」から論理「0」に移行する電流スパイク
が減るということである。これは、トランジスタ22が
そのゲートをアースと接続しているときで、Pチャンネ
ル・プレドライバであるNANDゲート94がノード2
6を「低」から「高」に引いた場合に、この電圧移行も
トランジスタ22のゲートを低から高に引くことになる
という事実によるものである。トランジスタ66が存在
し、トランジスタ28のゲートがノード20に直接接続
していないため、トランジスタ28は、ノード20上の
出力が高であるときにオフとならない。上述したよう
に、この場合にトランジスタ28のゲートがノード20
に接続しているならば、Nチャンネル・トランジスタ1
4、16がトランジスタ28をオンにするに充分にノー
ド20を低に引き、ゲートが高に引かれ得る前に充分な
量ノード20に接続される(図1の従来システム)。ノ
ード20が低に引かれてトランジスタ28をオンにして
いる(図1の従来技術)この期間中、電流はトランジス
タ22を通して引かれることになる。
【0019】図2の実施例において、ここに開示した回
路によって解決されない1つの問題は、システムがhi
Z状態から外れたとき、すなわち、GZが高から低にな
ったときにノード100上のAの信号レベルが高となる
状態である。これは非反転バッファであるから、作動モ
ード中のノード100上の高信号レベルは出力部上の高
信号レベルを生じさせることになる。この高信号レベル
はPチャンネル・トランジスタ22を出力ノード44か
ら引き上げる結果となる。これを行うには、そのゲート
が低に引かれなければならない。したがって、NAND
ゲートはNチャンネル・トランジスタ30を通してトラ
ンジスタ22のゲートを低に引かなければならない。し
かしながら、NANDゲート94がトランジスタ22を
高率で低に引く場合、出力ノード44上の電圧が、トラ
ンジスタ22のゲートがアースに引かれる前に充分なレ
ベルまで「リラックス」せず、VDDより高い電圧がトラ
ンジスタ22のゲート酸化物を横切って付与され、トラ
ンジスタ22を超過ストレス状態にする可能性がある。
この過電圧状態は、hiZ状態中に出力バッファの外部
の別のチップがノードを引き、そのため、バスが解放さ
れたときに、このバスがより高い電圧レベルまで荷電さ
れる結果として生じる可能性がある。この状態中、この
電圧レベルはトランジスタ22がオンとなる前に放電さ
れなければならない。あるいは、別のパーツがバスを意
図せずに高に引くシステムではエラーとなる可能性があ
る。いずれにしても、図2の出力バッファがhiZ状態
から外れ、データ入力部上の高信号が低いときに存在す
る過電圧状態はトランジスタ22に望ましくないストレ
スを生じさせる可能性がある。
【0020】図3を次に参照して、ここには、図2の出
力バッファの別の実施例が示してある。この実施例は好
ましい実施例である。図3において、図2の電流源76
は2つのNチャンネル・トランジスタ110、112に
よって表されており、これらのトランジスタは直列形態
で接続され、それらのソース/ドレン経路は相互に接続
され、かつ、ノード74とアースの間に接続され、それ
らのゲートは相互にかつVDDに接続してある。Pチャン
ネル・トランジスタ113のソース/ドレン経路がノー
ド74とVDDの間に接続してあり、ゲートがVDDに接続
してある。ソース/ドレン経路をノード74とアースの
間に接続したNチャンネル・トランジスタ78のゲート
がインバータ114の出力部に接続してあり、このイン
バータの入力部はノード26に接続してある。インバー
タ114は、VDD/2が閾値電圧よりもかなり大きくな
るように調節される閾値を有するフィードバック・イン
バータである。これは、Pチャンネル・トランジスタが
小さい方のトランジスタとなるようにPチャンネル、N
チャンネルの出力トランジスタをサイジングすることに
よって容易に達成される。この例では、Pチャンネル・
トランジスタは8ミクロンの幅を有し、Nチャンネル・
トランジスタは30ミクロンの幅を有する。この動作を
以下に説明する。
【0021】図2のNANDゲート94もこの実施例で
は改造する。図3のバッファに具体化したNANDゲー
トは対称的なPチャンネル・トランジスタ120、12
2を有する。これら両方のPチャンネル・トランジスタ
のソース/ドレン経路はVDDとノード26の間に接続し
てある。トランジスタ120のゲートは反転GZ信号を
受け取るノード82に接続してある。トランジスタ12
2のゲートはノード100に接続してあって入力データ
信号Aを受け取る。Nチャンネル・トランジスタ124
のソース/ドレン経路がノート26とノード126の間
に接続してある。Pチャンネル・トランジスタ128の
ソース/ドレン経路がノート126とアースの間に接続
してあり、このトランジスタ128のゲートはノード9
8に接続してある。Nチャンネル・トランジスタ130
のソース/ドレン経路がノート126とアースの間に接
続してあり、このトランジスタ130のゲートはNOR
ゲート132の出力部に接続してある。このNORゲー
ト132の一方の入力部はノード98に接続してあり、
他方の入力部はノード74に接続してある。図3の出力
バッファの動作を、それがhiZ状態から作動状態に移
動し、ノード100上の信号レベルが高論理状態にあ
り、その結果、出力Pチャンネル・トランジスタ22が
作動モードで出力ノード20を高に引くことになる状態
に関して詳しく以下に説明する。Pチャンネル・トラン
ジスタ128はGZが低となるとすぐにノード26が引
き下げられ得るようにソース・フォロワとして構成され
る。しかしながら、Pチャンネル・トランジスタ128
はアースの閾値電圧内にノード126を引き下げること
のみ可能である。この閾値電圧は、トランジスタ128
のボデー効果により、1.0ボルトもの高さになり得
る。あるいは、Pチャンネル・トランジスタのスタック
は、必要に応じて、トランジスタ128の代わりに利用
してこの電圧レベルを高めることができる。ノード26
は完全にアースに引かれることはない。また、ノード4
4にかかるロードはノード26、20の下降速度を遅く
することになる。トランジスタ22のゲート上の電圧は
ノード26に追従し、出力Pチャンネル・トランジスタ
22をオンにする。しかしながら、トランジスタ22の
ゲート酸化物を横切る電圧は、以下に説明するように、
その許容レベル内に保たれる。インバータ114の低閾
値は、ノード20上の電圧がトランジスタ66をオフに
し、トランジスタ110、112がノード74をアース
に放電させるに充分な低さに低下するまでインバータの
出力部を低に留め、トランジスタ78をオフに留める。
【0022】ノード74上の電圧が低になると、NOR
ゲート132の出力が高となり、トランジスタ130を
オンにし、これがノード126、26をアースまで引
き、この作用がインバータ114がその閾値(上述した
ように、VDD/2よりもかなり低い)より低くなったと
きにインバータ114を切り換えることになる。これは
トランジスタ78をオンにし、ノード74を低に保持す
る。ノード44上の出力電圧がVDDより高い1つの閾値
より高く、トランジスタ128がオフであるときには、
トランジスタ32がオンとなり、ノード20からトラン
ジスタ32を通ってノード26までの放電経路を与え、
また、出力トランジスタ22がオンになるのを阻止する
ことになる。Pチャンネル・トランジスタ128が最初
にオンとなったとき、ノード26はプルダウンされ、ノ
ード20をトランジスタ30と直列のトランジスタ32
を介してプルダウンし、トランジスタ22を通してVDD
に放電する。しかしながら、ノード20がトランジスタ
32のゲートより上の1つの閾値、すなわち、VDDより
低くなったときに、トランジスタ32はオフし始めるこ
とになる。これにより、何も他に設けてなければ、ノー
ド20上の電圧が1つの閾値電圧をVDDより上に留める
ことができることになる。しかしながら、ノード26は
アースよりも上の1つの閾値電圧以上までにのみ引か
れ、したがって、この時点でトランジスタ22のゲート
酸化物を横切る最高電圧はVDDである。トランジスタ6
6が遮断したとき、ノード26、68、74がNチャン
ネル・トランジスタ110、112によって低に引かれ
る。これはNORゲート132の出力を高に駆動し、N
ORゲート132を介してトランジスタ130をオンに
する。しかしながら、トランジスタ22も、そのゲート
が低に引かれるために、オンとなり、これがノード2
0、すなわち、出力ノードをトランジスタ22を通して
DDに引くことになる。トランジスタ130は、オンと
なったとき、トランジスタ22のゲートをノード126
を介してアースに引くことになる。
【0023】ダイオード接続Nチャンネル・トランジス
タ133のソース/ドレンがトランジスタ66を横切っ
て接続し、そのゲートがノード68に接続している。ト
ランジスタ133は、たとえば、出力ノード20を低に
引く外部装置により、出力ノード44が高から低にな
り、バッファがhiZ状態にあるとき、オンとなる。こ
れらの状態の下で、トランジスタ133はバッファをリ
セットするように内部ノードをプルダウンすることにな
る。これは、出力ノード20がhiZ状態で低となるな
るときはいつでもリセット動作を与える。これの目的
は、VDD電圧レベルを超える電圧がいかなるノードある
いは装置も横切って印加されるのを防ぐことにある。た
とえば、ノード68上の電圧が出力ノード上の過剰に高
い電圧によりVDDよりも高い場合、一度低電圧となる。
トランジスタ133が存在しない場合には、トランジス
タ66がVDDよりも大きい電圧を持つことになり、ゲー
ト酸化物層にストレスを与えることになる。トランジス
タ133はこの内部ノード68を低に引き、いかなる内
部ノードにも過剰に高い電圧がないようにする。このリ
セット状態は、また、トランジスタ130をオフにし、
ノード126をトランジスタ128の閾値電圧まで上昇
させる。ここで、Pチャンネル・トランジスタをトラン
ジスタ133の代わりに利用してそのゲートをノード2
0に接続してもよいことに注目されたい。
【0024】次に図4を参照して、ここには、フローテ
ィングNウェルの横断面図が示してある。このNウェル
は、代表的には、サブストレートにNタイプ不純物を移
植し、それを駆動することによってPタイプ・サブスト
レートに形成される。これはNウェル210を形成する
ことになる。その後、ゲート酸化物層214によってサ
ブストレートの表面から隔離されたゲート電極212が
ウェル内に形成され、P+材料のソース/ドレン領域が
ソース/ドレン領域216、218を与えるように形成
される。付加的に、Nウェル210にN+領域218が
形成される。これがノード86に接続され、このノード
を他の回路によって種々のポテンシャルに接続し得る。
要約すると、ここでは、3ステート出力バッファにおい
て出力プルアップPチャンネル・トランジスタにかかる
ストレスを低減する方法を得ている。出力バッファがh
iZモードから作動モードに変化し、入力部の論理状態
が出力を高に引くべきである状態であるときにはいつで
も、この出力バッファは出力部に既に過電圧がかかって
いる場合には保護を受ける。この保護は、出力プルアッ
プPチャンネル・トランジスタの酸化物を横切って配置
される電圧を最小限に押さえるために必要である。バッ
ファが最初にhiZ状態から作動状態に変化したとき、
Pチャンネル・トランジスタはゲートを低に引くことに
よってオンとなる。しかしながら、Pチャンネル・トラ
ンジスタのゲート酸化物を横切る電圧は、出力電圧がほ
ぼ作動電圧に低下するまでバッファの作動電圧に制限さ
れ、その後、Pチャンネル・トランジスタのゲートが完
全にアースに引かれる。こうして、所定のゲート酸化物
限度以下の電圧が出力プルアップPチャンネル・トラン
ジスタのゲート酸化物を横切って確実に置かれることに
なる。
【0025】好ましい実施例を詳細に説明してきたが、
添付の請求の範囲に定義したような本発明の精神、範囲
から逸脱することなく種々の変更、代替および代案をな
し得ることは了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】この図は、従来の出力バッファ回路を示す。
【図2】この図は、出力部上の過電圧状態に備えた出力
バッファ回路の一実施例を示す。
【図3】この図は、図3の出力バッファの別の実施例を
示し、これが好ましい実施例である。
【図4】この図は、フローティングNウェル・トランジ
スタの横断面図を示す。
【符号の説明】
10 ライン 12 ライン 14 Nチャンネル・トランジスタ 16 Nチャンネル・トランジスタ 18 電源ノード 20 出力ノード 22 プルアップPチャンネル・トランジス
タ 23 ノード 24 インバータ 26 ノード 28 トランジスタ 30 Nチャンネル・トランジスタ 32 Pチャンネル・トランジスタ 34 ノード 36 Pチャンネル・トランジスタ 38 Pチャンネル・トランジスタ 42 Pチャンネル・トランジスタ 44 ノード 46 抵抗器 48 Pチャンネル・トランジスタ 66 Pチャンネル・トランジスタ 68 ノード 72 Nチャンネル・トランジスタ 74 ノード 76 電流源 82 ノード 86 フローティング・ウェル電圧ノード 89 Pチャンネル・トランジスタ 94 NANDゲート 96 NORゲート 100 ノード 102 インバータ 110 Nチャンネル・トランジスタ 112 Nチャンネル・トランジスタ 113 Pチャンネル・トランジスタ 114 インバータ 120 Pチャンネル・トランジスタ 122 Pチャンネル・トランジスタ 124 Nチャンネル・トランジスタ 126 ノード 128 Pチャンネル・トランジスタ 130 Nチャンネル・トランジスタ 132 NORゲート 133 トランジスタ 210 Nウェル 212 ゲート電極 214 ゲート酸化物層 216 ソース/ドレン領域 218 ソース/ドレン領域

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 出力部に高インピーダンスを与える高イ
    ンピーダンス状態と、論理入力を受け取り、出力部を対
    応する論理状態に駆動する正規の低インピーダンス状態
    とで作動する3ステート出力バッファの出力Pチャンネ
    ル・プルアップ・トランジスタのゲート酸化物を保護す
    る方法であって、出力バッファの作動モードが高インピ
    ーダンス状態から低インピーダンス状態へ変化し、入力
    論理状態が低インピーダンス状態にある出力Pチャンネ
    ル・プルアップ・トランジスタによってバッファの出力
    を引き上げられるようになっているときに出力Pチャン
    ネル・プルアップ・トランジスタをオンにする段階と、
    出力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタのゲート
    酸化物を横切る最高電圧を第1の所定電圧に制限し、出
    力部での第1所定電圧を超える過剰電圧により、出力P
    チャンネル・プルアップ・トランジスタのゲート酸化物
    を横切る電圧が第1所定電圧を超え、出力Pチャンネル
    ・プルアップ・トランジスタのゲート酸化物を損傷しな
    いようにする段階とを包含することを特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の方法において、第1所定
    電圧が出力バッファの供給電圧レベルであることを特徴
    とする方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の方法において、最高電圧
    を制限する段階が、出力Pチャンネル・プルアップ・ト
    ランジスタのゲートを、出力バッファの作動モードが高
    インピーダンス状態から低インピーダンス状態に変化
    し、入力論理状態が低インピーダンス状態の出力Pチャ
    ンネル・プルアップ・トランジスタによってバッファの
    出力を高に引くような状態のときに、第1所定電圧以下
    の値だけ出力部の電圧よりも低い電圧レベルまで条件付
    きでプルダウンする段階と、出力部の電圧が第1所定電
    圧以下であるときに出力Pチャンネル・プルアップ・ト
    ランジスタのゲートを低論理レベルまで引く段階とを包
    含することを特徴とする方法。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の方法において、条件付き
    でプルダウンする段階が、出力部の電圧が出力バッファ
    の電源電圧レベルを超えたときに出力バッファの出力部
    と出力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタのゲー
    トの間に導電路を与える段階と、出力バッファ入力状態
    が低いときに出力バッファの電源電圧レベルよりも低い
    電圧レベルまで出力Pチャンネル・プルアップ・トラン
    ジスタのゲートをプルダウンし、出力Pチャンネル・プ
    ルアップ・トランジスタのゲート酸化物を横切って、第
    1所定レベル以下のの電圧差を生じさせる段階とを包含
    し、導電路を与える段階が、出力レベルが出力バッファ
    の電源電圧レベルより上の第2の所定レベルより低くな
    ったときに終了することを特徴とする方法。
  5. 【請求項5】 請求項4記載の方法において、導電路を
    与える段階が、出力Pチャンネル・プルアップ・トラン
    ジスタのゲートと出力ノードの間に分路Pチャンネル・
    トランジスタを配置する段階を包含し、この分路Pチャ
    ンネル・トランジスタのゲートが電源電圧に接続してあ
    り、過電圧状態にときに、出力Pチャンネル・プルアッ
    プ・トランジスタが出力部から出力バッファの電源への
    電流を遮断するようにしたことを特徴とする方法。
  6. 【請求項6】 請求項3記載の方法において、さらに、
    高インピーダンス状態と低インピーダンス状態とを切り
    換える段階を包含し、この切り換える段階が、2入力N
    ANDゲートを設ける段階と、出力Pチャンネル・プル
    アップ・トランジスタのゲートをNANDゲートの出力
    で駆動する段階と、NANDゲートの一方の入力部で高
    入力信号を受け取り、他方の入力部で論理入力を受け取
    りる段階とを包含し、高入力信号の論理状態を変えるこ
    とによって高インピーダンス状態から低インピーダンス
    状態への切り換えにより、NANDゲートの他方の入力
    部の入力論理状態がNANDゲートの出力を制御し、高
    論理状態から低論理状態への移行を行うことができ、条
    件付きでプルダウンする段階が低論理状態になったとき
    にNANDゲートの出力レベルを出力バッファの低論理
    レベルよりも高いレベルにそっくりとするように作動
    し、出力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタのゲ
    ートを低論理レベルに引き下げる段階が、入力論理状態
    がNANDゲートの出力を低くするようなものであると
    きにNANDゲートの出力を低論理レベルに移行させる
    ように作動することを特徴とする方法。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の方法において、出力バッ
    ファが、出力バッファの出力部と内部ノードの間に接続
    した少なくとも1つの周辺トランジスタを組み込んであ
    り、この内部ノードを第1所定電圧を超える電圧まで引
    き上げることができ、さらに、出力バッファの出力部の
    電圧が、出力ノードを低電圧レベルに駆動する外部装置
    により高インピーダンス状態において低くなったときに
    周辺トランジスタを介してリセット動作において内部ノ
    ードの電圧を低下させる段階を包含することを特徴とす
    る方法。
  8. 【請求項8】 請求項7記載の方法において、前記少な
    くとも1つの周辺トランジスタのソース/ドレン端子の
    うちの一方が出力バッファの出力部に接続してあり、前
    記少なくとも1つの周辺トランジスタのゲートあるいは
    そのソース/ドレン端子のうちの他方の端子のいずれか
    が内部ノードに接続してあることを特徴とする方法。
  9. 【請求項9】 請求項7記載の方法において、電圧を低
    下させる段階が、内部ノードと出力バッファの出力部と
    の間にダイオード接続トランジスタを配置する段階と、
    出力バッファの出力が低くなったときにのみこのダイオ
    ード接続トランジスタを通して電流を流す段階とを包含
    することを特徴とする方法。
  10. 【請求項10】 請求項7記載の方法において、出力バ
    ッファが、さらに、出力Pチャンネル・プルアップ・ト
    ランジスタを横切って過剰電圧が与えられるのを防ぐ保
    護回路を包含し、この保護回路が内部ノードを包含し、
    さらに、出力バッファの出力が過剰に高い電圧になった
    ときに保護回路を起動させ、内部ノードを高い電圧レベ
    ルになるようにした段階を包含し、周辺トランジスタが
    保護回路の一部であり、出力バッファの出力が低くなっ
    たときに内部ノードが低くなることを特徴とする方法。
  11. 【請求項11】 高インピーダンス状態で作動して出力
    端子に高インピーダンスを与え、正規の低インピーダン
    ス状態で作動して入力端子で論理入力を受け取り、出力
    端子を対応した論理状態に駆動する3ステート出力バッ
    ファであって、出力端子と電源ノードの間に接続した出
    力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタを有し、こ
    の出力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタがその
    ゲート酸化物を保護する保護回路を包含している3ステ
    ート出力バッファにおいて、出力バッファの作動モード
    が高インピーダンス状態から低インピーダンス状態に変
    化し、入力論理状態が、バッファの出力を低インピーダ
    ンス状態における出力Pチャンネル・プルアップ・トラ
    ンジスタによって高に引くような状態であるときに出力
    Pチャンネル・プルアップ・トランジスタをオンにする
    駆動装置と、出力Pチャンネル・プルアップ・トランジ
    スタのゲート酸化物を横切る最大電圧を第1の所定電圧
    に制限し、出力端子上の第1の所定電圧を超える過剰電
    圧が出力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタのゲ
    ート酸化物を横切る電圧に第1の所定電圧を越えさせ
    ず、出力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタのゲ
    ート酸化物に損傷を与えないようにした制限装置とを包
    含することを特徴とする3ステート出力バッファ。
  12. 【請求項12】 請求項11記載の出力バッファにおい
    て、第1の所定電圧が出力バッファの供給ノードの電圧
    であることを特徴とする出力バッファ。
  13. 【請求項13】 請求項11記載の出力バッファにおい
    て、制限装置が、出力バッファの作動モードが高インピ
    ーダンス状態から低インピーダンス状態に変化し、入力
    論理状態が、低インピーダンス状態における出力Pチャ
    ンネル・プルアップ・トランジスタによってバッファの
    出力を高に引くような状態であるときに第1所定電圧以
    下の値だけ出力端子上の電圧よりも低い電圧レベルに出
    力Pチャンネル・プルアップ・トランジスタのゲートを
    条件付きでプルダウンする付加的なプルダウン回路と、
    出力部の電圧が第1所定電圧以下であるときに出力Pチ
    ャンネル・プルアップ・トランジスタのゲートを低論理
    レベルまで引くプルダウン装置とを包含することを特徴
    とする出力バッファ。
  14. 【請求項14】 請求項13記載の出力バッファにおい
    て、さらに、出力Pチャンネル・プルアップ・トランジ
    スタのゲートを駆動し、一方の入力部で高入力信号を受
    け取り、他方の入力部で論理入力を受け取る2入力NA
    NDゲートを包含し、高インピーダンス状態から低イン
    ピーダンス状態への切り換えにより、入力論理状態がN
    ANDゲート出力を制御して、高電圧レベルから論理入
    力部[AB]のうち一方の論理状態のためのより低い電圧レ
    ベルに移行させるようにしており、前記NANDゲート
    が低論理状態になったときに出力を出力バッファのため
    の論理低レベルより上のレベルに制限する回路を包含
    し、前記プルダウン装置が低になったときの前記NAN
    Dゲートの出力を出力バッファのフル低論理レベルに移
    行させる回路を包含することを特徴とする出力バッフ
    ァ。
  15. 【請求項15】 請求項11記載の出力バッファにおい
    て、制限装置が、出力部の電圧が出力バッファの電源電
    圧レベルを超えたときに導通状態になる、出力バッファ
    の出力部と出力Pチャンネル・プルアップ・トランジス
    タのゲートとの間に配置した選択的導電路と、出力バッ
    ファの作動モードが高インピーダンス状態から低インピ
    ーダンス状態に変化し、入力論理状態が、低インピーダ
    ンス状態における出力Pチャンネル・プルアップ・トラ
    ンジスタによってバッファの出力を高に引くような状態
    であるときに出力Pチャンネル・プルアップ・トランジ
    スタのゲートを出力バッファの電源電圧レベルより低い
    電圧レベルに引き下げ、出力Pチャンネル・プルアップ
    ・トランジスタのゲート酸化物を横切る電圧差を第1の
    所定レベル以下にする条件付きプルダウン装置とを包含
    し、出力端子上のレベルが出力バッファの電源レベルよ
    り上の第2の所定レベルより低くなったときに導電路が
    終わることを特徴とする出力バッファ。
  16. 【請求項16】 請求項15記載の出力バッファにおい
    て、導電路が、出力Pチャンネル・プルアップ・トラン
    ジスタのゲートと出力端子の間に配置した分路Pチャン
    ネルトランジスタを包含し、この分路Pチャンネル・ト
    ランジスタのゲートが電源ノードに接続してあり、過電
    圧状態において、出力Pチャンネル・プルアップ・トラ
    ンジスタが出力バッファの出力部から電源ノードへの電
    流を阻止するようにしたことを特徴とする出力バッフ
    ァ。
  17. 【請求項17】 請求項11記載の出力バッファにおい
    て、少なくとも1つの周辺トランジスタが出力バッファ
    と組み合わせてあり、出力バッファの出力端子と第1所
    定電圧を超える電圧まで引き上げられ得る内部ノードの
    間に接続してあり、さらに、出力バッファの出力端子の
    電圧が出力ノードを低電圧レベルに駆動する外部装置に
    より高インピーダンス状態において低となったときにリ
    セット動作の際に前記内部ノード上の電圧を低下させる
    リセット回路を包含することを特徴とする出力バッフ
    ァ。
  18. 【請求項18】 請求項17記載の出力バッファにおい
    て、前記少なくとも1つの周辺トランジスタが、そのソ
    ース/ドレン端子のうちの一方の端子を出力端子に接続
    し、前記少なくとも1つの周辺トランジスタのゲートあ
    るいはそのソース/ドレン端子のうちの他方の端子のい
    ずれかが前記内部ノードに接続してあることを特徴とす
    る出力バッファ。
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