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JP2636766B2 - 論理回路 - Google Patents

論理回路

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JP2636766B2
JP2636766B2 JP6318810A JP31881094A JP2636766B2 JP 2636766 B2 JP2636766 B2 JP 2636766B2 JP 6318810 A JP6318810 A JP 6318810A JP 31881094 A JP31881094 A JP 31881094A JP 2636766 B2 JP2636766 B2 JP 2636766B2
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fet
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正 前多
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Nippon Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • 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
    • H03K19/00369Modifications for compensating variations of temperature, supply voltage or other physical parameters
    • H03K19/00384Modifications for compensating variations of temperature, supply voltage or other physical parameters in field effect transistor circuits
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03K19/08Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices
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    • H03K19/0952Logic 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 Schottky type FET MESFET

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  • Logic Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は論理回路に関し、特に温
度補償機能を有する論理回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】GaAs半導体はSiに比べ、電子の移
動度が数倍速く、更に半絶縁性基板を容易に得ることが
できるために、集積化を図る際に回路の寄生容量を低減
出来、高速論理動作が可能との考えから各所で精力的な
研究開発が行なわれてきている。
【0003】GaAs半導体の基本回路形式は種々ある
が、エンハンスメント型電界効果トランジスタを用いた
DCFL(Direct Coupled FET L
ogic)回路は構成が簡単で集積化に適し、また、高
い電源電圧を必要としない点で優れており、これを基本
回路とした、100Kゲート規模の集積度を持つゲート
アレイも市販されるに至っている。
【0004】GaAsDCFL回路は図7に示すように
負荷として用いられるディプリーション型FET4のド
レイン電極が電源端子100に接続され、ゲート及びソ
ース電極が出力端子11に接続され、エンハンスメント
型FET1のドレイン電極は出力端子11に接続され、
ゲート電極は入力端子10に接続され、ソース電極は電
源端子101に接続された構成を有している。いま、入
力端子10にソース電極に対して十分高い電圧が印加さ
れた場合、エンハンスメント型FET1に電流が流れ出
力端子11の電位は低下する。一方、入力端子10に低
い電圧が印加された時には、エンハンスメント型FET
1には電流が流れず出力端子11の電位は高電位を維持
する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図7に示したDCFL
回路はSiバイポーラECL(Emitter Cou
pled FET Logic)回路との互換性を持た
せるために電源端子100は接地し、電源端子101に
−2.0Vの電源が用いられてきた。この回路において
は、出力端子の電位が次段のMESFETのショットキ
障壁以上には上昇せず、論理振幅が制限される。従っ
て、電源電圧を高くしても論理振幅を増加させることが
出来ず、雑音余裕度が小さいことが問題であった。ま
た、この回路では、出力が「H」の状態でインバータの
負荷FET1に電流が流れる。この電流は負荷駆動には
寄与せず、回路の消費電力としては無駄なものである。
消費電力を小さくするためには、電源電圧を下げること
が最も単純で効果的であり、さらに、MESFETのシ
ョットキ障壁高さ以下に電源を設定することで無駄な電
流をも減らすことが可能であるが、これまではシステム
の中に新しくGaAs専用の電源を設定する利点はない
と考えられてきた。近年、EWS(エンジニアリングワ
ークステーション)や超高速コンピュータの処理速度向
上を目的として、LSIが高速化されるにつれ、チップ
の発熱による温度上昇を如何にして冷却するかが大きな
問題となってきている。このために、従来から要求され
てきた電源電圧に関する制限も緩和される傾向にある。
【0006】以上述べたようにDCFL回路は論理振幅
が小さいために、温度変化を考慮した雑音余裕度を確保
することが困難であるという欠点があり、電源電圧をM
ESFETのショットキ障壁高さ以下に設定した場合に
は、論理振幅がさらに低下することで雑音余裕度の確保
のためにはLSIの使用温度規格を狭めざるを得ないと
いう欠点があった。
【0007】ここで、しきい値温度変動による雑音余裕
度を求めてみる。MESFETのしきい値電圧をVt、
ゲート幅をW、相互コンダクタンスパラメータをKとす
れば、ドレイン電流Idsは近似的に以下のように表せ
る。
【0008】 Ids=WK{2(Vgs−Vt)Vds−Vds2 } (Vgs−Vt>Vds) =WK(Vgs−Vt)2 (Vgs−Vt<Vds) ・・・(1) DCFLインバータの論理しきい値(Vthc)は、エ
ンハンスメント型MESFETとディプリーション型M
ESFETを流れる電流が等しいことから、次式で与え
られる。
【0009】 Vthc =Vt E +(WD D /WE E 1/2 |Vt D | ・・・(2) ここで、添字は各FETを表している。この論理しきい
値は、エンハンスメント型FETのしきい値温度変動の
影響を直接受ける。従来のFETのしきい値電圧の温度
変動は、約1.0mV程度あり、例えばLSIとしての
温度規格を200℃とると200mV程度の温度余裕度
が必要となる。DCFL回路の場合、論理振幅は電源電
圧に比例することから、この変動分を考慮すると電源電
圧は小さくすることが出来なくなる。
【0010】本発明の目的は、DCFL回路やプッシュ
プル回路の温度マージンを十分に確保でき、また電源電
圧をMESFETのショットキ障壁高さ以下に設定して
も雑音余裕度を減らすことなく、低消費電力化が可能な
論理回路を提供しようとすることにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の論理回路は、一
端が第1の電源端子に接続され、他端が出力端子に接続
された負荷素子と、ドレイン電極が前記出力端子に接続
され、ゲート電極が入力端子に接続され、ソース電極が
第1の節点に接続された第1のエンハンスメント型FE
Tと、ドレイン電極が前記1の電源端子に接続され、ゲ
ート電極が前記出力端子に接続され、ソース電極が前記
第1の節点に接続された第2のエンハンスメント型FE
Tと、ドレイン電極が前記1の節点に接続され、ゲート
電極が第1の制御端子に接続され、ソース電極が第2の
電源端子に接続されたディプリーション型FETからな
る構造を有している。
【0012】
【作用】本発明の論理回路においては、DCFL回路の
出力を入力としたソースフォロア回路の出力をDCFL
回路の駆動EFETのソース電極に帰還する構造を有し
ており、入力電位がロウレベルの時に駆動EFETがオ
フの状態になり、出力電位は電源電圧まで上昇する。こ
の時、DCFL回路の駆動EFETのソース電位は出力
電位とともに上昇する。入力がハイレベル時には、駆動
EFETはオンの状態となり、出力は低下するが、ソー
スフォロア回路のEFETもオフの状態となるために、
DCFL回路のソース電位も低下する。このソースフォ
ロア回路の負荷FETのゲート電位の制御により、入力
がロウレベル時のDCFL回路駆動EFETのソース電
位を変化させ、温度上昇によるDC転送特性の変動を補
正する。
【0013】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図1は本発明による論理回路の第1の実施例を示し
た回路図である。
【0014】本実施例では、DCFL回路の出力端子1
1にエンハンスメント型FET3のゲート電極が接続さ
れ、ドレイン電極は電源端子100に、ソース電極は節
点21に接続されている。また、ディプリーション型F
ET2のドレイン電極は、節点21にゲート電極は制御
端子12に、ソース端子は、電源端子101に接続され
ており、その他の構成は、図7に示したDCFL論理回
路の構成と同様であり、同一の要素には同一の符号を付
して示す。
【0015】本発明の第1の実施例の論理回路について
説明する。入力電位がロウレベル時にDCFL回路の駆
動EFET1がオフの状態になり、出力電位は電源電圧
まで上昇する。一方、FET3とFET2はソースフォ
ロア回路を構成しているため、節点21の電位は出力に
応じて高い電位を維持する。入力がハイレベル時には、
駆動EFET1はオンの状態となり、出力は低下する
が、ソースフォロア回路のEFET3もオフの状態とな
るために、節点21の電位も低下する。この時、FET
2のゲート電位を高く設定すれば入力がロウレベル時の
節点21の電位を低下させることが出来る。また、FE
T2のゲート電位を低く設定すれば、節点21の電位を
上昇させることが出来る。
【0016】環境温度が低い場合、FET2の制御端子
12にソース電極に対して適当に高い電圧を印加し、環
境温度が高い場合には制御端子に低い電圧を印加するよ
うに設定する。各々の温度に対する動作を次に説明す
る。環境温度が低い場合、FET1のしきい値電圧は正
側にシフトする。この時、入力端子10にソース電極に
対して徐々に高い電圧を印加していくとFET1に電流
が流れ出す入力電圧は、常温の時に比較して高くなる。
この場合において、入力がロウレベル時の節点21の電
位を低く設定することで、温度上昇によるDC転送特性
の変動を補正する。
【0017】環境温度が高い場合には、FET1のしき
い値電圧が負側にシフトしているためにFET1に流れ
る電流は常温時に比較してより低い電圧から流れるよう
になる。この場合FET2の制御端子の電圧を常温時に
比較して低く設定し、補正用DFETの電流を小さくす
ることで、論理しきい値が負側に変化することを抑制す
ることが可能となる。このように、環境温度に従ってF
ET2のゲート電位を変化させることで、回路の論理し
きい値の制御が可能となる。
【0018】図2は、本発明の第2の実施例を示した図
で、DCFL回路の負荷としてDFET4を用いたもの
であり、その他の構成は第1の実施例と同一である。
【0019】図3は、本発明の第3の実施例を示した図
で、NOR回路を構成した場合である。ファンイン数を
増やす場合には、DCFL回路の駆動EFETを並列に
接続させるだけで良い。ここではEFET1,13,1
4と3個の例を示した。
【0020】図4は、本発明の第3の実施例を示した図
で、抵抗41及び42により設定された基準電圧と本発
明のインバータ回路の入出力端子を短絡した出力をOP
アンプ31により増幅帰還して制御する回路を示した図
である。
【0021】図5は、本発明の入出力転送特性をシミュ
レーションにより求めた図である。実線は室温での転送
特性であり、破線は高温時の特性である。図中、節点2
1の電位も示したが、温度に応じてFET2のゲート電
位を変化させることで、入力がロウレベル時の電位が高
温時には高く、低温時には低く制御出来ていることが分
かる。
【0022】図6は、従来のDCFL回路の入出力転送
特性のシミュレーション結果を示した図である。温度の
上昇とともに、論理しきい値が負側にシフトしているこ
とがわかる。
【0023】また、本実施例ではDCFL回路を対象と
したが、同様の回路は、プッシュプル回路でも実現可能
である。
【0024】本発明の半導体装置をDCFL回路の基本
素子として用いることにより、温度変化に対しても十分
に回路の雑音余裕度を確保することが出来、結果として
電源電圧を小さくでき、低消費電力化が可能となる。更
に、本発明を用いることで、しきい値の製造バラツキに
対しても補正が可能となり、歩留まりの向上も期待でき
る。
【0025】
【発明の効果】本発明による論理回路においては、DC
FL回路の駆動EFETのソース電極を並列に接続した
ソースフォロア回路の出力で帰還することで変化させ、
温度上昇によるDC転送特性の論理しきい値の変動を補
正することが可能となる。
【0026】本発明の半導体装置をDCFL回路の基本
素子として用いることにより、温度変化に対しても十分
に回路の雑音余裕度を確保することができ、結果として
電源電圧を小さくでき、現在のLSIの消費電力を動作
速度を維持したままで、ほぼ1/10程度に低減するこ
とが可能になり、将来のEWSや超高速コンピュータに
本発明を用いれば飛躍的な性能向上が期待できる。更
に、本発明を用いることで、しきい値の製造バラツキに
対しても補正が可能となり、歩留まりの向上も期待でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す回路図。
【図2】本発明の第2の実施例を示す回路図。
【図3】本発明の第3の実施例を示す回路図。
【図4】本発明の第4の実施例を示す回路図。
【図5】本発明のDC転送特性のシミュレーション結果
を説明する図。
【図6】従来例のDC転送特性のシミュレーション結果
を説明する図。
【図7】従来例を説明するための回路図。
【符号の説明】
1,3,13,14 エンハンスメント型MESFET 2,4 ディプリーション型FET 10 入力端子 11 出力端子 12 制御端子 100,101 電源端子 21 節点 41,42,43 抵抗 31 OPアンプ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一端が第1の電源端子に接続され、他端が
    出力端子に接続された負荷素子と、 ドレイン電極が前記出力端子に接続され、ゲート電極が
    入力端子に接続され、ソース電極が第1の節点に接続さ
    れた第1のエンハンスメント型FETと、 ドレイン電極が前記1の電源端子に接続され、ゲート電
    極が前記出力端子に接続され、ソース電極が前記第1の
    節点に接続された第2のエンハンスメント型FETと、 ドレイン電極が前記1の節点に接続され、ゲート電極が
    第1の制御端子に接続され、ソース電極が第2の電源端
    子に接続されたディプリーション型FETを有すること
    を特徴とする論理回路。
  2. 【請求項2】負荷素子に負荷抵抗またはディプリーショ
    ン型FETを用いたことを特徴とする論理回路。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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