JPH11284501A - 待機時電流減少回路 - Google Patents
待機時電流減少回路Info
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Abstract
なくし、待機状態から動作状態に変わるときの時間を短
くした待機時電流減少回路を提供する。 【解決手段】 電源電圧端に連結されたPMOSトラン
ジスタと、接地電圧端に連結されたNMOSトランジス
タとの間にPMOSトランジスタを介してNMOSトラ
ンジスタへ流れるリーク電流を遮断するスイッチング素
子を接続したことを特徴とする。
Description
特に低電圧動作回路から発生する待機時の電流を減少さ
せるのに適した待機時電流減少回路に関する。
度を減少させるためにはトランジスタの動作電圧を低く
する。このため、待機時時に、しきい値電圧によるスレ
ショルドリーク電流が著しく増加するため、そのリーク
電流をいかにして減少させるかが重要な要件となってい
る。
面に基づき説明する。まず、従来の技術による待機時電
流減少回路は、複数の論理回路を介して流れるリーク電
流を減少させるように、論理回路の外に高いしきい値電
圧を有するPMOS及びNMOSトランジスタを接続さ
せて、論理回路全体のリーク電流をコントロールしてい
る。図1は従来の待機時電流減少回路の1例の構成図で
ある。図1に示すように、この待機時電流減少回路は、
メイン電源ラインVccと、接地ラインVssと、サブ
電源ラインVcc−Lと、サブ接地ラインVss−L
と、メイン電源ラインとサブ電源ラインとの間に形成さ
れたPMOSトランジスタHPM1と、メイン接地ライ
ンとサブ接地ラインとの間に形成されたNMOSトラン
ジスタHNM1と、サブ電源ラインとサブ接地ラインと
の間に形成された複数の論理回路11とから構成され
る。
タ及びNMOSトランジスタから構成され、各トランジ
スタは低いしきい値電圧を有する。メイン電源ラインと
サブ電源ラインとの間に形成されたPMOSトランジス
タHPM1及びメイン接地ラインとサブ接地ラインとの
間に形成されたNMOSトランジスタHNM1は、論理
回路11のトランジスタよりは相対的に高いしきい値電
圧を有する。NMOSトランジスタHNM1のゲートに
はアクティブ信号ACTが入力され、PMOSトランジ
スタHPM1のゲートにはアクティブバー信号(/)A
CTが入力される。
による待機時電流減少回路の動作を以下に説明する。ま
ず、アクティブ動作時には、NMOSトランジスタHN
M1のゲートにはアクティブ信号ACTが入力され、P
MOSトランジスタHPM1のゲートにはアクティブバ
ー信号(/)ACTが入力され、PMOSトランジスタ
HPM1及びNMOSトランジスタHNM1がターンオ
ンし、サブ電源ラインVcc−Lの電圧をVccレベル
に、サブ接地ラインVss−Lの電圧をVssレベルに
する。したがって、論理回路11の両端に正規の電圧が
加えられ正常に動作し、出力が出される通常の回路とし
て動作する。
CT、アクティブバー信号(/)ACTが反転し、PM
OSトランジスタHPM1とNMOSトランジスタHN
M1はオフ状態となる。これにより、サブ電源ラインと
サブ接地ラインはそれぞれメイン電源ラインとメイン接
地ラインから分離される。すなわち、サブ電源ラインに
充電されていた電圧が複数の論理回路11に印加される
電源電圧となり、サブ接地ラインの電圧は論理回路11
に印加される接地電圧となる。ここで、電源電圧が高け
れば高いほど論理回路を介して流れるリーク電流は増加
し、電源電圧が低いほどリーク電流は減少する。その特
性を利用して、サブ電源ラインとサブ接地ラインをそれ
ぞれメイン電源ラインとメインサブラインとから分離さ
せることにより、論理回路11の電源電圧を低くし、リ
ーク電流を減少させている。
流減少回路の構成図である。図2に示すように、この回
路は、メイン電源ラインVccと、メイン接地ラインV
ssと、サブ電源ラインVcc−Lと、サブ接地ライン
Vss−Lと、メイン電源ラインとサブ電源ラインとの
間に形成されたPMOSトランジスタHPM1と、メイ
ン接地ラインとサブ接地ラインとの間に形成されたNM
OSトランジスタHNM1と、メイン電源ラインとサブ
接地ラインとの間に形成された第1論理回路21と、サ
ブ電源ラインと前記メイン接地ラインとの間に形成され
た第2論理回路21aとから構成される。ここで、回路
構成に応じて第1、第2論理回路21、21aの外に複
数の論理回路が更に構成されてもよい。
上のPMOSトランジスタと1つ以上のNMOSトラン
ジスタとから構成される。ここで、第1、第2論理回路
21、21aの中で、待機時状態にターンオンされるト
ランジスタを有する論理回路はメイン電源ラインとサブ
接地ラインの間に連結し、ターンオフされるトランジス
タを有する論理回路はサブ電源ラインとメイン接地ライ
ンの間に連結する。2つの論理回路21、21aを動作
させる際、サブ電源ラインとサブ接地ラインにかかる負
荷を略半分ぐらい低減させることができる。
ような従来の待機時電流減少回路は以下のような問題点
があった。 待機時状態からアクティブ状態に戻る時間は、メイ
ン電源ラインとサブ電源ラインとを連結し、メイン接地
ラインとサブ接地ラインとを連結するトランジスタの大
きさによって影響されるので、そのトランジスタの大き
さを最適化する必要があるが、そのトランジスタを最適
化する過程には長い時間が必要である。 回路設計の様式をテキスト化したネットリストを用
いてトップ−ダウン方式で設計するため、回路を自動的
に合成する方法には適用し難い。 回路構成に応ずる広い面積が要求され、構成が複雑
である。 メイン電源ラインとサブ電源ラインとの間に及びメ
イン接地ラインとサブ接地ラインとの間に高いしきい値
電圧を有するトランジスタが接続されるため、スタンバ
イ状態からアクティブ状態に戻るにあたってそれらのト
ランジスタがキャパシタのように動作する。そのため、
サブ電源ライン、サブ接地ラインがメイン電源ライン及
びメイン接地ラインと同じ電圧になるのに長い時間がか
かる。
されたものであり、その目的とするところは、リーク電
流を極小化し、待機時状態からアクティブ状態に戻る時
間をできるだけ短縮し、回路を自動的に合成するがとが
できることにより、既存技術の限界を克服することので
きる待機時電流減少回路を提供することにある。
の本発明の待機時電流減少回路は、電源電圧端に連結さ
れたPMOSトランジスタと、接地電圧端に連結された
NMOSトランジスタとの間にPMOSトランジスタを
介してNMOSトランジスタへ流れるリーク電流を遮断
するスイッチング素子を接続したことを特徴とする。
路を添付図面を参照して説明する。まず、本発明の待機
時電流減少回路は、リーク電流を減少させるために、複
数の論理回路毎にスイッチング素子(本実施形態ではN
MOSトランジスタ或いはPMOSトランジスタ)を接
続して各論理回路ごとにリーク電流をコントロールす
る。図3は本発明の第1実施形態による待機時電流減少
回路の構成図である。図3に示すように、電源電圧端V
ccと、接地電圧端Vssと、電源電圧端と接地電圧端
との間に複数の論理回路31が接続されている。
いPMOSトランジスタLPM1とNMOSトランジス
タLNM1とを有している。PMOSトランジスタLP
M1のソースは電源電圧端に連結され、NMOSトラン
ジスタLNM1のソースは接地電圧端に連結される。そ
して、PMOSトランジスタLPM1とNMOSトラン
ジスタLNM1との間にリーク電流を減少させるための
スイッチング素子、例えばしきい値電圧の高いNMOS
トランジスタHNM1(以下、選択トランジスタと称す
る)33が接続される。選択トランジスタ33は複数の
論理回路毎にそれぞれ配置されている。この選択トラン
ジスタ33は、そのゲートが図示のようにACT端子に
接続され、アクティブ動作時にはオン状態となり、待機
時動作にはオフ状態となる。図示の例では論理回路31
は二つであるがもちろんより多くの回路を接続してもよ
い。
しきい値電圧の高いNMOSトランジスタHNM1を使
用しているが、それに代えてしきい値電圧の低いNMO
Sトランジスタを使用してもよい。このようなしきい値
電圧の低いNMOSトランジスタを用いた待機時電流減
少回路の構成は図4に示されている。図4は本発明の第
2実施形態による待機時電流減少回路の構成図であり、
図3とは異なり選択トランジスタが低いしきい値電圧を
有するNMOSトランジスタから構成されている。
実施形態による待機時電流減少回路の動作を以下に説明
する。図3、図4に示すように、選択トランジスタのゲ
ートには、アクティブ動作時にはハイ信号を印加し、待
機時時にはロー信号(図3の場合には0V、図4の場合
にはリーク電流を減少させるため負(−)の電圧)を印
加する。すなわち、スタンバイ時に選択トランジスタ3
3のゲートにロー信号を印加すると、選択トランジスタ
33はオフ状態となる。これにより、PMOSトランジ
スタLPM1からNMOSトランジスタLNM1につな
がるリーク経路が遮断される。このように、選択トラン
ジスタ33をオフさせてリーク経路を遮断することによ
り、しきい値電圧以下のリーク電流であるサブスレショ
ルドのリーク電流を顕著に(シミュレーション結果によ
れば従来に比べて約10、000倍程度)減少させるこ
とができた。さらに、アクティブ動作状態から待機時状
態に到達する時間は、メイン電源ライン、メイン接地ラ
イン、サブ電源ライン、及びサブ接地ラインから構成さ
れる従来に比べて、本実施形態の場合トランジスタ間に
接続された選択トランジスタをオンとさせるだけである
ので、顕著に減少させることができる。
による待機時電流減少回路は、PMOSトランジスタL
PM1とNMOSトランジスタLNM1とから構成され
る論理回路内に選択トランジスタを接続することによ
り、PMOSトランジスタLPM1からNMOSトラン
ジスタLNM1へ流れるリーク電流を遮断することがで
きる。ここで、本発明の第1、第2実施形態において
は、論理回路が単一のPMOSトランジスタ及びNMO
Sトランジスタから構成されるインバーターを例示した
が、前記論理回路を構成するPMOSトランジスタ及び
NMOSトランジスタの数に拘らずに全ての論理回路に
同様に適用可能である。すなわち、前記論理回路はイン
バーター、NANDゲート、NORゲート等の全ての論
理回路を含む。
た2入力のNANDゲートの構成図である。図5に示す
ように、第1入力信号により動作状態が決定される第1
PMOSトランジスタLPM1及び第1NMOSトラン
ジスタLNM1と、第2入力信号により動作状態が決定
される第2PMOSトランジスタLPM2及び第2NM
OSトランジスタLNM2と、そして第2PMOSトラ
ンジスタLPM2と第2NMOSトランジスタLNM2
との間に接続される選択トランジスタ33とから構成さ
れる。図示のように、第1、第2PMOSトランジスタ
LPM1、LPM2はソース/ドレインが共通に接続さ
れ、ソースが電源電圧端Vccにドレインが選択トラン
ジスタ33のドレインに接続されている。一方、第1、
第2NMOSトランジスタLNM1,LNM2は互いに
直列に接続され、その直列に接続されたものが接地と選
択トランジスタ33のソースとに接続されている。3入
力又はそれ以上の入力のNANDでも同様に、それらの
PMOSの回路とNMOSの回路との間に選択トランジ
スタ33が接続される。この選択トランジスタ33は、
図示の回路がNANDゲートとして動作するとき、すな
わちアクティブ動作時にはオン状態となり、待機時時に
はオフ状態となる。
れる論理回路においても、第2PMOSトランジスタL
PM2と第2NMOSトランジスタLNM2との間に選
択トランジスタ33を接続することにより、待機時時に
第1、第2PMOSトランジスタLPM2から第1、第
2NMOSトランジスタLNM2へリーク電流が流れる
のを遮断する。このように、NANDゲートだけでな
く、NORゲート等のような全ての論理回路にも適用可
能である。
待機時電流減少回路の構成図である。図6に示すよう
に、本発明の第3実施形態では、電源電圧端Vccと接
地電圧端Vssとの間に複数の論理回路61−1、61
−2、61−3、61−4・・・が接続される。本実施
形態は、先の実施形態と異なり、これらの論理回路61
−1、61−2、61−3、61−4・・・の全てに選
択トランジスタを接続するのではなく、図面上奇数番目
の論理回路61−1、61−3・・・にのみ選択トラン
ジスタ33を接続してる。ここでは、論理回路61−
1、61−2、61−3、61−4・・・として、低い
しきい値電圧を有するPMOSトランジスタLPM1、
LPM2、LPM3、LPM4・・・及びNMOSトラ
ンジスタLNM1、LNM2、LNM3、LNM4・・
・から構成されるインバーターを例示した。
スタLPM1、LPM2、LPM3、LPM4・・・は
P導電型の半導体基板71のNウェル上に形成される
(図7参照)。Nウェルはアクティブ時にはVccにバ
イアスされている。待機時時に、Nウェルの電圧をVc
c以上の電圧(例えばDRAMのVPP)を加えて増加さ
せるとPMOSトランジスタLPMのしきい値電圧が高
くなる。従って、サブスレッショルドのリークが減少す
るようになる。
を奇数番目の論理回路にのみ構成する場合、選択トラン
ジスタ33のゲートにローレベルの信号を印加し、かつ
Nウェルの電圧を増加させると、待機時状態を維持させ
ることができる。PMOSトランジスタLPM1は前記
のようにしきい値電圧が低いので、入力電圧がハイの場
合もリーク電流により1番目の論理回路61−1のPM
OSトランジスタLPM1を通じてノード1がハイ状態
に充電される。これにより、2番目の論理回路61−2
のNMOSトランジスタLNM2がターンオンされてP
MOSトランジスタLPM2を介してリーク電流が流れ
ることがあるが、PMOSトランジスタLPM2のしき
い値電圧が前述したようにNウェルの電圧によって増加
するようになるため、リーク電流の量は非常に少なくな
る。
ェルを形成しNウェルの電圧を増加させたが、他に図8
に示すようにN導電型の基板81にPウェルを形成しP
ウェルの電圧を減少させてもよい。すなわち、図6のN
MOSトランジスタLNM1、LNM2、LNM3、L
NM4・・・を、図8に示すようにN導電型の半導体基
板81に形成されたPウェルに形成する。Pウェルはア
クティブ時にはVssにバイアスされている。しかし、
待機時時には、Pウェルの電圧をVss以下の電圧(例
えば、DRAMのVbb以下)に低くすると、NMOSト
ランジスタLNM1、LNM2、LNM3、LNM4・
・・のしきい値電圧が高くなる。従って、サブスレッシ
ョルドのリークが減少する。このように、Nウェル又は
Pウェルを用いた本発明の第3実施形態によるスタンバ
イ電流減少回路はDRAMなどの出力ドライバにも適用
可能である。本発明の第3実施形態を出力ドライバに適
用する場合、ドライバの処理速度を向上させることがで
きる。
OSトランジスタと接地電圧端に連結されたNMOSト
ランジスタとの間にスイッチング素子(選択トランジス
タ)を接続して接地端側へのリーク電流の流れを遮断す
るようにしたので、待機時状態からアクティブ状態へ戻
るにはその選択トランジスタをオンとさせるだけでよい
ので時間を短縮することができる。また、本発明によれ
ば、サブ電源ラインやサブ接地ラインを構成せずに、各
論理回路を構成するトランジスタのしきい値電圧に応じ
たスイッチング素子をそれらのトランジスタの間に接続
するので、レイアウト上の面積を最小化することができ
る。その上、メイン電源ラインとサブ電源ラインを接続
するトランジスタとメイン接地ラインとサブ接地ライン
とを接続するトランジスタを使用する必要がなく、それ
らのトランジスタの大きさを最適化させる必要がない。
さらには、従来は待機状態でのリーク電流を考慮して回
路を設計しなければならなかったので、回路を設計した
後に合成を行うことが難しかったが、本発明では待機状
態でのリーク電流を考慮しなくても良いのでライブラリ
を見て設計しても、後で回路を合成することができる。
請求項5の発明によれば、インバーター、NANDゲー
ト、NORゲート等の論理素子を用いる全ての論理回路
に適用可能なので、それらの論理回路の動作速度を改善
させることができる。
構成するPMOS及びNMOSトランジスタのうちPM
OSトランジスタをNウェル上に形成する。これによ
り、スタンバイ時に別にPMOSトランジスタのしきい
値電圧を増加させなくてもNウェルバイアスによって相
対的にPMOSトランジスタのしきい値電圧を増加させ
ることによりリーク電流の流れを防止することができ
る。請求項9、10の発明によれば、論理回路を構成す
るPMOS及びNMOSトランジスタのうちNMOSト
ランジスタをPウェル上に形成する。これにより、待機
時時に別にNMOSトランジスタのしきい値電圧を減少
させなくても、Pウェルバイアスによって相対的にNM
OSトランジスタのしきい値電圧を増加させることによ
りリーク電流の流れを防止することができる。
路の構成図。
路の構成図。
回路の構成図。
回路の構成図。
Dゲートの構成図。
回路の構成図。
の断面図。
の他の断面図。
ジスタ HNMi 高いしきい値電圧を有するNMOSトラン
ジスタ LPMi 低いしきい値電圧を有するPMOSトラン
ジスタ LNMi 低いしきい値電圧を有するNMOSトラン
ジスタ
Claims (10)
- 【請求項1】 電源電圧端に連結されたPMOSトラン
ジスタと、 接地電圧端に連結されたNMOSトランジスタと、 前記PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとの
間に接続され、前記PMOSトランジスタを介してNM
OSトランジスタへ流れるリーク電流を遮断するスイッ
チング素子とを備えることを特徴とする待機時電流減少
回路。 - 【請求項2】 前記スイッチング素子は、PMOSトラ
ンジスタ、NMOSトランジスタなど半導体で実現可能
な任意のスイッチング素子であることを特徴とする請求
項1記載の待機時電流減少回路。 - 【請求項3】 電源電圧端及び接地電圧端と、 前記電源電圧端と接地電圧端との間に1つ以上のPMO
Sトランジスタから1つ以上のNMOSトランジスタへ
電流が流れるように接続されている複数の論理回路と、 前記各論理回路の電流が流れるように接続されているP
MOSトランジスタとNMOSトランジスタとの間に接
続され、待機時時に前記PMOSトランジスタからNM
OSトランジスタへのリーク電流の流れ経路を遮断する
選択トランジスタとを備えることを特徴とする待機時電
流減少回路。 - 【請求項4】 前記選択トランジスタは、前記論理回路
を構成するNMOSトランジスタに比べて更に低いしき
い値電圧を有するNMOSトランジスタ、又は前記論理
回路を構成するPMOSトランジスタに比べて更に低い
しきい値電圧を有するPMOSトランジスタであること
を特徴とする請求項3記載の待機時電流減少回路。 - 【請求項5】 前記論理回路は、インバーター、NAN
Dゲート、NORゲート等の全ての論理回路を含むこと
を特徴とする請求項3記載の待機時電流減少回路。 - 【請求項6】 電源電圧端及び接地電圧端と、 前記電源電圧端と接地電圧端との間に1つ以上のPMO
Sトランジスタと1つ以上のNMOSトランジスタと
が、動作時にそれらに電流が流れるように接続された論
理回路が並列に複数接続されている回路と、 前記回路の並列に接続されている論理回路の一つおきの
論理回路の電流が流れるように接続されているPMOS
トランジスタとNMOSトランジスタとの間に接続さ
れ、待機時時に前記PMOSトランジスタからNMOS
トランジスタへのリーク電流の流れ経路を遮断する選択
トランジスタとを備えることを特徴とする待機時電流減
少回路。 - 【請求項7】 前記論理回路を構成するPMOSトラン
ジスタとNMOSトランジスタのうち前記PMOSトラ
ンジスタはNウェル上に形成されることを特徴とする請
求項6記載の待機時電流減少回路。 - 【請求項8】 前記Nウェル上に形成されたPMOSト
ランジスタは、スタンバイ時に前記Nウェルのバイアス
によってしきい値電圧が相対的に増加することを特徴と
する請求項7記載の待機時電流減少回路。 - 【請求項9】 前記論理回路を構成するPMOSトラン
ジスタ及びNMOSトランジスタのうち前記NMOSト
ランジスタはPウェル上に形成されることを特徴とする
請求項6記載の待機時電流減少回路。 - 【請求項10】 前記Pウェル上に形成されたNMOS
トランジスタ(LNM1、LNM2、LNM3、LNM
4・・・)は、待機時時に前記Pウェルのバイアスによ
ってしきい値電圧が相対的に増加することを特徴とする
請求項9記載の待機時電流減少回路。
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