JP3255158B2 - Semiconductor integrated circuit - Google Patents
Semiconductor integrated circuitInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は微細MOSトランジ
スタで構成された半導体集積回路に係り、特に高速・低
電力動作に適した回路に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated circuit composed of fine MOS transistors, and more particularly to a circuit suitable for high-speed and low-power operation.
【0002】[0002]
【従来の技術】1989 インターナショナル シンポ
ジウム オン ブイ・エル・エス・アイ テクノロジ
ー,システムズ アンド アプリケーションズ、プロシ
ーディングズ オブ テクニカル ペーパーズ(1989年
5月)第188頁から第192頁(1989 International
Symposium on VLSI Technology, Systems and Applicat
ions, Proceedings of Technical Papers, pp.188-192
(May 1989))に述べられているように、MOSトランジ
スタが微細化されるにつれてその耐圧が低下するため
に、その動作電圧を低くせざるを得ない。この場合に、
高速動作を維持するためには、動作電圧の低下に見合っ
てMOSトランジスタのしきい電圧(VT)も低下させ
る必要がある。これは、動作速度は、MOSトランジス
タの実効ゲート電圧、すなわち動作電圧からVTを差し
引いた値で支配され、この値が大きいほど高速だからで
ある。しかし、VTを0.4V程度以下にすると、以下
に述べるように、MOSトランジスタのサブスレッショ
ルド特性(テーリング特性)によって、トランジスタを
完全にオフすることはもはやできなくなり、直流電流が
流れるという現象が生ずる。2. Description of the Related Art 1989 International Symposium on VSI Technology, Systems and Applications, Proceedings of Technical Papers (1989
(May) Pages 188 to 192 (1989 International
Symposium on VLSI Technology, Systems and Applicat
ions, Proceedings of Technical Papers, pp.188-192
As described in (May 1989)), as the MOS transistor is miniaturized, its breakdown voltage decreases, so that the operating voltage has to be lowered. In this case,
In order to maintain high-speed operation, the threshold voltage (V T ) of the MOS transistor needs to be reduced in accordance with the decrease in the operating voltage. This operating speed, the effective gate voltage of the MOS transistor, that is, ruled by a value obtained by subtracting the V T from the operating voltage is because fast as this value is larger. However, when the V T below about 0.4V, as described below, by the sub-threshold characteristics of the MOS transistor (tailing characteristics), a phenomenon that transistor completely no longer able longer to turn off the DC current to flow Occurs.
【0003】図49に示す従来のCMOSインバータに
ついて説明する。理想的には、入力信号INが低レベル
(=VSS)の時はNチャネルMOSトランジスタMNが
オフ、INが高レベル(=VCC)の時はPチャネルMO
SトランジスタMPがオフになり、いずれにしても電流
が流れることはない。しかし、MOSトランジスタのV
Tが低くなると、サブスレッショルド特性を無視するこ
とができなくなる。A conventional CMOS inverter shown in FIG. 49 will be described. Ideally, when the input signal IN is at a low level (= V SS ), the N-channel MOS transistor MN is turned off, and when the input signal IN is at a high level (= V CC ), the P-channel MOS transistor MN is turned off.
The S transistor M P is turned off, and no current flows in any case. However, the MOS transistor V
When T decreases, the subthreshold characteristic cannot be ignored.
【0004】図50に示すように、サブスレッショルド
領域におけるドレイン電流IDSは、ゲート・ソース間電
圧VGSの指数関数に比例し、次式で表される。As shown in FIG. 50, a drain current I DS in a subthreshold region is proportional to an exponential function of a gate-source voltage V GS and is expressed by the following equation.
【0005】[0005]
【数1】 (Equation 1)
【0006】ただし、WはMOSトランジスタのチャネ
ル幅、I0、W0はVTを定義する際の電流値およびチャ
ネル幅、Sはテーリング係数(VGS-log IDS特性の傾
きの逆数)である。したがって、VGS=0でもサブスレ
ッショルド電流[0006] However, W is the channel width of the MOS transistor, I 0, W 0 is the current value and the channel width in defining the V T, S is tailing factor (inverse of the slope of V GS -log I DS characteristics) is there. Therefore, even if V GS = 0, the sub-threshold current
【0007】[0007]
【数2】 (Equation 2)
【0008】が流れる。図49のCMOSインバータで
オフ状態のトランジスタはVGS=0であるから、非動作
時において高電源電圧VCCから接地電位である低電源電
圧VSSに向かって上記の電流ILが流れることになる。
このサブスレッショルド電流は、図50に示すように、
しきい電圧をVTからVT'に低下させると、ILからIL'
に指数関数的に大きくなる。数2の上式から明らかなよ
うに、サブスレッショルド電流を低減するためには、V
Tを大きくするかSを小さくすればよい。しかし、前者
は実効ゲート電圧の低下による速度の低下を招く。特
に、耐圧の点から微細化とともに動作電圧を低くしてい
くと、速度低下は顕著になり、微細化の利点を生かせな
くなるので好ましくない。また後者は、室温動作を前提
とする限り、次の理由により困難である。テーリング係
数Sは、ゲート絶縁膜の容量COXとゲート下の空乏層の
容量CDにより、次のように表される。Flows. Since the transistor in the off state in the CMOS inverter of FIG. 49 is a V GS = 0, that at the time of non-operation is a ground potential from the high supply voltage V CC toward the low supply voltage V SS through the above current I L Become.
This sub-threshold current is, as shown in FIG.
The threshold voltage from V T V T 'Lowering the, I L from I L'
Exponentially. As is apparent from the above equation, in order to reduce the subthreshold current, V
T may be increased or S may be decreased. However, the former causes a reduction in speed due to a reduction in the effective gate voltage. In particular, if the operating voltage is lowered along with the miniaturization in view of the withstand voltage, the speed drop becomes remarkable, and the advantage of the miniaturization cannot be utilized, which is not preferable. The latter is difficult for the following reasons as long as it is operated at room temperature. Tailing factor S is the capacitance C D of the depletion layer capacitance C OX and under the gate of the gate insulating film is represented as follows.
【0009】[0009]
【数3】 (Equation 3)
【0010】ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温
度、qは素電荷である。上式から明らかなように、COX
およびCDの如何にかからわずS≧kT ln 10/qであ
り、室温では60mV以下にすることは困難である。以上
述べた現象のために、多数のMOSトランジスタで構成
された半導体集積回路の実質的な直流電流は著しく増大
してしまう。特に高温動作時には、VTが低くSが大き
くなるため、この問題はさらに深刻になる。低電力化が
重要である今後のコンピュータ等のダウンサイジング時
代においては、このサブスレッショルド電流の増大は本
質的な問題である。Here, k is Boltzmann's constant, T is absolute temperature, and q is elementary charge. As is clear from the above equation, C OX
Irrespective of C and C D , S ≧ kT ln 10 / q, and it is difficult to reduce the voltage to 60 mV or less at room temperature. Due to the phenomena described above, the substantial DC current of a semiconductor integrated circuit composed of a large number of MOS transistors significantly increases. In particular, at the time of high-temperature operation, since VT is low and S is large, this problem becomes more serious. In the future downsizing era of computers and the like in which low power consumption is important, this increase in subthreshold current is an essential problem.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、MO
Sトランジスタを微細化しても高速・低電力の半導体集
積回路を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an MO
It is an object of the present invention to provide a high-speed and low-power semiconductor integrated circuit even if an S transistor is miniaturized.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、MOSトランジスタのソースと電源の
間に大電流と小電流との電流供給を制御する制御回路手
段を挿入し、用途に応じてこれらの電流を切り換えてM
OSトランジスタ回路に供給する。たとえば、高速動作
が要求される時は大電流を供給し、低消費電力が要求さ
れる時は小電流を供給する。In order to achieve the above object, according to the present invention, control circuit means for controlling a current supply of a large current and a small current is inserted between a source of a MOS transistor and a power supply, so that the circuit can be used for various purposes. By switching these currents according to
Supply to OS transistor circuit. For example, a high current is supplied when high-speed operation is required, and a small current is supplied when low power consumption is required.
【0013】通常動作時には高速動作が要求されるの
で、上記電流供給手段から大電流をMOSトランジスタ
回路に供給し、高速動作を可能にする。この時、MOS
トランジスタ回路には前述のとおり直流電流が流れる
が、動作電流すなわち負荷の充放電電流に比べて普通十
分小さいので差し支えない。一方、待機時には低消費電
力が要求されるので、供給される電流を小電流に切り換
え、サブスレッショルド電流を抑える。この時、電流が
制限されることにより、MOSトランジスタ回路の論理
振幅は一般に大電流供給時よりも小さくなるが、論理レ
ベルを保証できる程度であれば差し支えない。Since high-speed operation is required during normal operation, a large current is supplied from the current supply means to the MOS transistor circuit to enable high-speed operation. At this time, MOS
Although a DC current flows through the transistor circuit as described above, the DC current is usually sufficiently small as compared with the operating current, that is, the charge / discharge current of the load. On the other hand, since low power consumption is required during standby, the supplied current is switched to a small current to suppress the subthreshold current. At this time, since the current is limited, the logic amplitude of the MOS transistor circuit is generally smaller than that when a large current is supplied.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】以下、まず、参考例として図1〜
図35及び図40〜図43を参照して本発明を適用する
半導体集積回路を説明し、図36〜図39及び図44〜
図48を参照して具体的な実施例を説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, FIGS.
A semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 35 and 40 to 43, and FIGS.
A specific embodiment will be described with reference to FIG.
【0015】まず、図1は本発明を適用する半導体集積
回路の原理を説明するのに好適な参考例である。図1
(a)は参考例によるインバータの回路図である。図
中、LはCMOSインバータであり、PチャネルMOS
トランジスタMPとNチャネルMOSトランジスタMNか
らなる。本発明を適用する半導体集積回路は、後述のよ
うに、インバータだけでなくNAND、NORなどの論
理ゲートあるいは論理ゲート群にも適用できるが、ここ
では簡単のためインバータの場合について説明する。S
CおよびSSはスイッチ、RCおよびRSは抵抗であり、本
参考例の特徴は、インバータLの電源端子VCL、VSLと
電源VCC、VSSの間にそれぞれスイッチSC、SSと抵抗
RC、RSが並列に挿入されていることであり、これによ
り以下に説明するようにサブスレッショルド電流低減が
実現される。高速動作が要求される時間帯には、スイッ
チSC、SSをオンにし、VCC、VSSを直接インバータL
に印加する(以下、高速動作モードという)。MP、MN
のしきい電圧(VT)を低く設定しておけば、高速動作
させることができる。この時、前述のようにインバータ
Lにはサブスレッショルド電流が流れるが、これは普
通、動作電流すなわち負荷の充放電電流に比べて十分小
さいので問題にならない。FIG. 1 is a reference example suitable for explaining the principle of a semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied. FIG.
(A) is a circuit diagram of an inverter according to a reference example. In the figure, L denotes a CMOS inverter, and a P-channel MOS
It comprises a transistor MP and an N-channel MOS transistor MN . As will be described later, the semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied can be applied not only to an inverter but also to a logic gate or a group of logic gates such as NAND and NOR. However, here, the case of an inverter will be described for simplicity. S
C and S S are switches, RC and R S are resistors, and the feature of this embodiment is that switches S C and S S are respectively connected between the power terminals V CL and V SL of the inverter L and the power sources V CC and V SS. This means that S and the resistances R C and R S are inserted in parallel, thereby achieving a reduction in subthreshold current as described below. During a time period when high-speed operation is required, the switches S C and S S are turned on, and V CC and V SS are directly connected to the inverter L.
(Hereinafter, referred to as a high-speed operation mode). MP , MN
If the threshold voltage (V T ) is set low, high-speed operation can be achieved. At this time, the sub-threshold current flows through the inverter L as described above. However, this is not a problem because it is usually sufficiently smaller than the operating current, that is, the charging / discharging current of the load.
【0016】一方、低消費電力が要求される時間帯に
は、スイッチSC、SSをオフにして、抵抗RC、RSを通
してインバータに電源を供給する(以下、低消費電力モ
ードという)。サブスレッショルド電流が抵抗を通して
流れることによる電圧降下により、VCLはVCCよりも低
下し、VSLはVSSよりも上昇する。図2に示すように、
この電圧降下により、次の2種の機構によってサブスレ
ッショルド電流が減少する。尚、入力信号INが低レベ
ル(VSS)の場合のMNについて説明するが、INが高
レベル(VCC)の場合のMPも同様である。 (i)ソース電位VSLが上昇するため、バックゲートバイ
アスVBS=VSS−VSL=−VMがかかり、しきい電圧が
VT0からVT1まで上昇する。しきい電圧の上昇分は、On the other hand, in a time zone where low power consumption is required, the switches S C and S S are turned off, and power is supplied to the inverter through the resistors R C and R S (hereinafter referred to as a low power consumption mode). . Due to the voltage drop due to the subthreshold current flowing through the resistor, V CL drops below V CC and V SL rises above V SS . As shown in FIG.
Due to this voltage drop, the subthreshold current is reduced by the following two mechanisms. Although M N when the input signal IN is at a low level (V SS ) will be described, the same applies to M P when IN is at a high level (V CC ). (i) Since the source potential V SL rises, a back gate bias V BS = V SS -V SL = -V M is applied, and the threshold voltage rises from V T0 to V T1 . The rise in the threshold voltage is
【0017】[0017]
【数4】 (Equation 4)
【0018】である。これにより、サブスレッショルド
電流はIL0からIL1まで減少する。減少率は、## EQU1 ## Thereby, the subthreshold current decreases from IL0 to IL1 . The rate of decrease is
【0019】[0019]
【数5】 (Equation 5)
【0020】である。ここでKは基板効果係数である。
例えば、VM=0.3V、K=0.4√V、S=100mV/deca
de、2ψ=0.64Vならば、サブスレッショルド電流は21
%に低減される。## EQU1 ## Here, K is a substrate effect coefficient.
For example, V M = 0.3V, K = 0.4√V, S = 100mV / deca
de, if 2ψ = 0.64V, the subthreshold current is 21
%.
【0021】(ii)ソース電位VSLが上昇するため、ゲー
ト・ソース間電圧VGS=VSS−VSL=−VMが負にな
る。これにより、サブスレッショルド電流はさらにIL1
からIL2まで減少する。減少率は、(Ii) Since the source potential V SL rises, the gate-source voltage V GS = V SS -V SL = -V M becomes negative. As a result, the subthreshold current is further increased to I L1
To IL2 . The rate of decrease is
【0022】[0022]
【数6】 (Equation 6)
【0023】である。例えば、VM=0.3V、S=100m
V/decadeならば、サブスレッショルド電流は0.1%
に低減される。(i)(ii)の効果を併せると、## EQU1 ## For example, V M = 0.3V, S = 100m
If V / decade, sub-threshold current is 0.1%
To be reduced. Combining the effects of (i) and (ii),
【0024】[0024]
【数7】 (Equation 7)
【0025】となる。例えば、VM=0.3Vならば0.02%
になる。ここで、VMは方程式## EQU1 ## For example, V M = 0.3V if 0.02%
become. Where V M is the equation
【0026】[0026]
【数8】 (Equation 8)
【0027】の解である。尚、インバータLのMOSト
ランジスタMP、MNのバックゲートはそれぞれのソース
(VCL、VSL)に接続してもよいが、(i)の効果を得る
ためには図1(a)のようにVCC、VSSに接続する方が
望ましい。This is the solution of Incidentally, the back gates of the MOS transistors M P and M N of the inverter L may be connected to the respective sources (V CL and V SL ). However, in order to obtain the effect (i), FIG. It is more desirable to connect to V CC and V SS as described above.
【0028】図3にサブスレッショルド電流低減効果を
示す。ここでは、将来の超低電圧動作の超高集積LSI
を想定し、バックゲートバイアスが0のときのしきい電
圧VT0=0.05〜0.15V、LSI全体のオフ状態のトラン
ジスタのチャネル幅の総和W=100mである場合につい
て計算している。抵抗を大きくするほどVMが大きくな
り、効果が大きくなる。ただし、図1(b)に示すよう
に、出力信号OUTの論理振幅は入力信号INの論理振
幅よりも小さくなるので、多段接続の際は信号の電圧レ
ベルに注意しなければならないが、これについては後述
する。FIG. 3 shows the effect of reducing the subthreshold current. Here, the ultra-highly integrated LSI of the future ultra-low voltage operation
The calculation is performed on the assumption that the threshold voltage V T0 when the back gate bias is 0 is 0.05 to 0.15 V, and the total channel width W of the transistors in the off state of the entire LSI is W = 100 m. V M The larger the resistance is increased, the effect is large. However, as shown in FIG. 1B, since the logical amplitude of the output signal OUT is smaller than the logical amplitude of the input signal IN, it is necessary to pay attention to the voltage level of the signal when connecting in multiple stages. Will be described later.
【0029】また、本発明を適用する半導体集積回路に
はしきい電圧のバラツキを自動的に補償する作用があ
る。すなわち、しきい電圧が低くサブスレッショルド電
流が大きいときは、抵抗による電圧降下VMが大きくな
り、しきい電圧が高くサブスレッショルド電流が小さい
ときは、VMが小さくなる。いずれの場合も、電流の変
動が抑制される。図3から明らかなように、サブスレッ
ショルド電流の変動は抵抗値が大きいほど小さい。例え
ば、抵抗値を3kΩ以上にすれば、しきい電圧が±0.
05Vばらついても、サブスレッショルド電流ILの変
動は±20%以内に抑えられる。Further, the semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied has an operation of automatically compensating for variations in the threshold voltage. That is, when the threshold voltage subthreshold current is large low voltage drop V M due to resistance is increased, when the threshold voltage is high and the subthreshold current is small, V M becomes smaller. In any case, the fluctuation of the current is suppressed. As is clear from FIG. 3, the fluctuation of the subthreshold current is smaller as the resistance value is larger. For example, if the resistance value is set to 3 kΩ or more, the threshold voltage becomes ± 0.
Also varies 05V, variations of the sub-threshold current I L is suppressed to within 20% ±.
【0030】次に、参考例1で説明したスイッチと抵抗
の具体的な実現方法を示す。図4は、スイッチと抵抗と
をともにMOSトランジスタで実現した例である。スイ
ッチ用のMOSトランジスタMC1とMS1は、コンダクタ
ンスの大きいMOSトランジスタであり、それぞれ図1
のスイッチSC、SSに相当する。高速動作モードの時
は、信号φCを低レベル、φSを高レベルにすることによ
って、MC1、MS1はオンになる。φC、φSの電圧レベル
は、それぞれVSS、VCCでもよいが、MC1、MS1のコン
ダクタンスをより大きくするために、φCをVSSよりも
低く、φSをVCCよりも高くしてもよい。そのための電
圧は、チップの外部から与えるか、EEPROMやDR
AMで周知のオンチップ昇圧回路で発生させればよい。
低消費電力モードのときは逆に、φCを高レベル、φSを
低レベルにすることによって、MC1、MS1はオフにな
る。この時は、電流を確実に抑止できるようにしなけれ
ばならない。そのためには、次の2通りの方法がある。
第1の方法は、外部電圧またはオンチップ昇圧回路によ
って、φCをVCCよりも高く、φSをVSSよりも低くする
ことである。第2の方法は、MC1、MS1として、インバ
ータLに用いられているものよりもしきい電圧が高い
(よりエンハンスメントの)トランジスタを用いること
である。第1の方法は、しきい電圧の異なるトランジス
タを作るための工程が不要であるという利点がある。一
方、第2の方法は、外部電圧を受ける端子あるいはオン
チップ昇圧回路が不要であるから、面積の点で有利であ
る。MOSトランジスタMC2とMS2はコンダクタンスの
小さいMOSトランジスタであり、それぞれ図1の抵抗
RC、RSに相当する。これらのトランジスタは、ゲート
がそれぞれVSS、VCCに接続されており、常にオンであ
る。これらのトランジスタはオフにする必要がないの
で、そのしきい電圧は低くても差し支えない。Next, a specific method of realizing the switch and the resistor described in the first embodiment will be described. FIG. 4 shows an example in which both the switch and the resistor are realized by MOS transistors. The switching MOS transistors M C1 and M S1 are MOS transistors having a large conductance,
Of switches S C , S S. In the high-speed operation mode, M C1 and M S1 are turned on by setting the signal φ C to a low level and setting the signal φ S to a high level. phi C, the voltage level of phi S, respectively V SS, but may be V CC, in order to further increase the conductance of M C1, M S1, the phi C lower than V SS, than the phi S V CC May be higher. The voltage for this is supplied from outside the chip, or the EEPROM or DR
What is necessary is just to generate | occur | produce by the well-known on-chip booster circuit in AM.
Conversely, in the low power consumption mode, by setting φ C to a high level and φ S to a low level, M C1 and M S1 are turned off. At this time, it must be ensured that the current can be suppressed. For that purpose, there are the following two methods.
A first method is to make φ C higher than V CC and φ S lower than V SS by an external voltage or an on-chip booster circuit. The second method is to use transistors (higher enhancement) having higher threshold voltages than those used for the inverter L as M C1 and M S1 . The first method has an advantage that a step for manufacturing transistors having different threshold voltages is unnecessary. On the other hand, the second method is advantageous in terms of area because a terminal for receiving an external voltage or an on-chip booster circuit is not required. The MOS transistors M C2 and M S2 are MOS transistors having a small conductance, and correspond to the resistances R C and R S in FIG. 1, respectively. These transistors have their gates connected to V SS and V CC , respectively, and are always on. Since these transistors do not need to be turned off, their threshold voltages can be low.
【0031】次に、本発明を適用する半導体集積回路が
適用される時間帯について述べる。図5に信号φC、φS
のタイミングの例を示す。図5(a)および(b)は、
本発明を適用する半導体集積回路をメモリLSIに適用
した場合である。メモリLSIは、チップエネーブル信
号CE ̄(補信号)が低レベルのとき動作状態、高レベ
ルのとき待機状態になる。図5(a)の場合は、信号φ
Cは、CE ̄の立下りに同期して低レベルになり、CE
 ̄の立上りからやや遅れて高レベルになる。信号φSは
その逆である。従って、図中のaの時間帯は高速動作モ
ード、bの時間帯は低消費電力モードになる。一般に多
数のメモリLSIを用いたメモリ装置では、動作状態に
あるLSIは少数であり、大多数のLSIは待機状態に
ある。従って、待機状態にあるLSIを低消費電力にす
れば、メモリ装置全体の低消費電力化に大きく寄与す
る。なお、CE ̄の立上りから低消費電力モードに入る
までに遅延を設ける理由は、この間にLSIの内部回路
のリセットが行われるからである。図5(b)はさらに
低消費電力化を図った例である。ここでは、CE ̄が変
化した直後のみを高速動作モードにしている。すなわ
ち、CE ̄が低レベルになった直後はデータの読出し/
書込みが行なわれ、CE ̄が高レベルになった直後は内
部回路のリセットが行なわれるので、これらの時間帯は
高速動作モードとし、その他の時間帯は低消費電力モー
ドにしている。なお、ここには記載されていないが、ア
ドレス信号が変化したときに高速動作モードに入るよう
にしてもよい。図5(c)は本発明を適用する半導体集
積回路をマイクロプロセッサに適用した例である。通常
動作状態では、クロックCLKが印加されている。この
とき、信号φCは低レベル、φSは高レベルであり、高速
動作モードである。マイクロプロセッサが待機状態また
はデータ保持状態になると、クロックCLKが停止し、
信号BUが高レベルになる。これに同期して、φCは高
レベル、φSは低レベルになり、低消費電力モードにな
る。これにより、マイクロプロセッサの消費電力が低減
され、電池などの小容量の電源で長時間バックアップす
ることが可能になる。Next, a time zone in which the semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied will be described. FIG. 5 shows signals φ C and φ S
The following shows an example of the timing. FIGS. 5 (a) and 5 (b)
This is a case where a semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied is applied to a memory LSI. The memory LSI enters an operating state when the chip enable signal CE # (complementary signal) is at a low level, and enters a standby state when it is at a high level. In the case of FIG.
C goes low in synchronization with the falling edge of CE ̄, and CE goes low.
High level slightly after the rise of  ̄. The signal φ S is the opposite. Accordingly, the time zone a in the drawing is the high-speed operation mode, and the time zone b is the low power consumption mode. Generally, in a memory device using a large number of memory LSIs, a small number of LSIs are in an operating state, and the majority of the LSIs are in a standby state. Therefore, if the power consumption of the LSI in the standby state is reduced, the power consumption of the entire memory device is greatly reduced. The reason for providing a delay from the rise of CE # to the low power consumption mode is that the internal circuit of the LSI is reset during this time. FIG. 5B shows an example in which power consumption is further reduced. Here, the high-speed operation mode is set only immediately after CE # changes. That is, immediately after CE # goes low, data read /
Immediately after writing is performed and CE # goes high, the internal circuit is reset, so that these time zones are in the high-speed operation mode and the other time zones are in the low power consumption mode. Although not described here, the high-speed operation mode may be set when the address signal changes. FIG. 5C shows an example in which a semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied is applied to a microprocessor. In the normal operation state, the clock CLK is applied. At this time, the signal φ C is at a low level and the signal φ S is at a high level, which is a high-speed operation mode. When the microprocessor enters the standby state or the data holding state, the clock CLK stops,
The signal BU goes high. In synchronization with this, φ C goes high, φ S goes low, and the device enters the low power consumption mode. As a result, the power consumption of the microprocessor is reduced, and backup can be performed for a long time with a small-capacity power supply such as a battery.
【0032】図6は、図4の回路を実現するためのデバ
イス構造の一例である。この図のポリシリコン130、
131、132、133がそれぞれ図4のMC2、MP、
MN、MS2のゲートに相当する(MC1、MS1はここには
記載されていない)。注意すべきことは、MC2とMPと
が同一のnウェル101(n+拡散層120を介してV
CCに接続されている)を共有していることである。MN
とMS2も同様にp基板(VSSに接続されている)100
を共有している。これからわかるように、MOSトラン
ジスタのバックゲートをVCC、VSSに接続する方が、ソ
ースに接続する場合に比べて、前述の(i)の効果が得ら
れるだけでなく、レイアウト面積の点でも有利である。
ここに示した例では、p基板中にnウェルを形成してい
るが、逆にn基板中にpウェルを形成してもよい。ある
いは、アイ・エス・エス・シー・シー、ダイジェスト・
オブ・テクニカル・ペーパーズ、第248頁から第24
9頁、1989年2月(ISSCC Digest of Technical Pa
pers, pp.248-249, Feb.1989)に記載されているような
三重ウェル構造を用いてもよい。FIG. 6 is an example of a device structure for realizing the circuit of FIG. The polysilicon 130 in this figure,
131, 132, and 133 represent M C2 , M P ,
They correspond to the gates of M N and M S2 (M C1 and M S1 are not described here). It should be noted that M C2 and M P have the same n-well 101 (V + via n + diffusion layer 120).
Connected to the CC ). M N
And M S2 are similarly p-substrate (connected to V SS ) 100
Sharing. As can be seen, connecting the back gate of the MOS transistor to V cc and V ss not only achieves the above-mentioned effect (i) but also reduces the layout area compared to the case where the back gate is connected to the source. It is advantageous.
Although the n-well is formed in the p-substrate in the example shown here, the p-well may be formed in the n-substrate. Alternatively, ISSC, Digest
Of Technical Papers, pages 248 to 24
Page 9, February 1989 (ISSCC Digest of Technical Pa
pers, pp. 248-249, Feb. 1989) may be used.
【0033】図7にスイッチと抵抗の他の実現方法を示
す。本参考例の特徴は、カレントミラー回路を用いてい
ることである。すなわち、しきい電圧が同じMOSトラ
ンジスタMC2とMC3は、ゲートとソースを共有するいわ
ゆるカレントミラー回路を成しており、MC2には電流源
I0に比例する電流が流れ、そのインピーダンスは大き
い。MS2とMS3についても同様である。したがって、M
C2、MS2は高抵抗とみなすことができる。尚、電流源I
0とMC3、MS3から成る回路CSを複数の論理ゲートで
共有してもよい。カレントミラー回路はここに示した回
路だけでなく、他の回路でもよい。例えば、MOSトラ
ンジスタの代わりにバイポーラトランジスタを用いても
よい。FIG. 7 shows another method of realizing the switch and the resistor. The feature of this embodiment is that a current mirror circuit is used. I.e., the same MOS transistor threshold voltage M C2 and M C3 is formed in a so-called current mirror circuit sharing the gate and source, the current proportional to the current source I 0 flows in the M C2, the impedance large. The same applies to MS2 and MS3 . Therefore, M
C2, M S2 can be regarded as a high resistance. The current source I
A circuit CS including 0 , M C3 , and M S3 may be shared by a plurality of logic gates. The current mirror circuit is not limited to the circuit shown here, but may be another circuit. For example, a bipolar transistor may be used instead of a MOS transistor.
【0034】このように、スイッチと抵抗の実現方法
は、いろいろな変形がありうる。要は、高速動作が要求
される時間帯には大電流を、低消費電力が要求される時
間帯には小電流を流す手段であればよい。以下の図面で
は、簡単のため、図1のようにスイッチと抵抗で表すこ
とにする。As described above, the method of realizing the switch and the resistor can have various modifications. In short, any means may be used as long as it allows a large current to flow during a time when high-speed operation is required and a small current during a time when low power consumption is required. In the following drawings, for simplicity, they are represented by switches and resistors as shown in FIG.
【0035】インバータのMOSトランジスタのバック
ゲートは、VCC、VSSに限らず別の電源に接続してもよ
く、その電圧を可変にしてもよい。図8にその例を示
す。ここでは、MP、MNのバックゲートをそれぞれ電源
VWW、VBBに接続し、それらのバックゲート電圧値を動
作時と待機時とで変えている。VBBについて言えば、高
速動作が要求される時間帯にはVBBを浅くして(あるい
は極端な場合わずかに正にして)MNのVTを低くして高
速動作を可能にする。低消費電力が要求される時間帯に
はVBBを深くしてMNのVTを高くして、サブスレッショ
ルド電流を抑える。これにより、前記(i)の効果がさら
に大きくなる。以上VBBについて述べたが、VWWも電圧
の極性が逆になるだけで同様である。なお、この種のバ
ックゲート電圧発生回路は、例えばアイ・エス・エス・
シー・シー、ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパ
ーズ、第254頁から第255頁、1985年2月(IS
SCCDigest of Technical Papers, pp.254-255, Feb.198
5)に記載されている。The back gate of the MOS transistor of the inverter is not limited to V CC and V SS , but may be connected to another power source, and its voltage may be made variable. FIG. 8 shows an example. Here, the back gates of M P and M N are connected to power supplies V WW and V BB , respectively, and their back gate voltage values are changed between during operation and during standby. As for V BB, the time zone in which high-speed operation is required by shallow V BB (or in extreme cases slightly positively) that enable high-speed operation by reducing the V T of M N. The time zone requiring low power consumption by increasing the V T of M N to deepen the V BB, suppress the subthreshold current. As a result, the effect (i) is further enhanced. Although V BB has been described above, V WW is the same except that the polarity of the voltage is reversed. In addition, this type of back gate voltage generating circuit is, for example,
C.C., Digest of Technical Papers, pp.254-255, February 1985 (IS
SCCDigest of Technical Papers, pp.254-255, Feb.198
It is described in 5).
【0036】図9は、図8の回路を実現するためのデバ
イス構造の一例である。ここでは、前述の三重ウェル構
造を用いており、nウェル105(PチャネルMOSト
ランジスタのバックゲート)はn+拡散層120を介し
てVWWに、pウェル103(NチャネルMOSトランジ
スタのバックゲート)はp+拡散層127を介してVBB
に接続されている。この三重ウェル構造は、Pチャネ
ル、Nチャネル共に回路ごとに独立したウェルに入れる
ことができるので、回路ごとにバックゲート電圧を設定
できるという利点がある。例えば、1つのLSI内に動
作状態にある回路と待機状態にある回路が混在する場
合、前者のバックゲート電圧を浅く、後者のバックゲー
ト電圧を深くすることができる。FIG. 9 is an example of a device structure for realizing the circuit of FIG. Here, the above-described triple well structure is used. The n-well 105 (the back gate of the P-channel MOS transistor) is connected to V WW via the n + diffusion layer 120, and the p-well 103 (the back gate of the N-channel MOS transistor) is connected. V BB via p + diffusion layer 127
It is connected to the. This triple well structure has the advantage that the back gate voltage can be set for each circuit because both the P-channel and the N-channel can be placed in independent wells for each circuit. For example, when a circuit in an operating state and a circuit in a standby state coexist in one LSI, the back gate voltage of the former can be made shallow and the back gate voltage of the latter can be made deep.
【0037】次に、インバータを多段接続したインバー
タ列の場合について述べる。簡単のため、まず2段の場
合で原理を説明する。図10(a)は、CMOSインバ
ータL1、L2を接続した場合の回路図である。各段のイ
ンバータごとに、スイッチSCi、SSiと抵抗RCi、RSi
(i=1,2)が挿入されている。高速動作モードで
は、4個のスイッチをすべてオンにし、VCC、VSSを直
接インバータL1、L2に印加する。インバータのMOS
トランジスタのしきい電圧(VT)を低く設定しておけ
ば、高速動作させることができる。一方、低消費電力モ
ードでは、4個のスイッチをすべてオフにして、抵抗を
通してインバータに電源を供給する。サブスレッショル
ド電流が抵抗を通して流れることによる電圧降下によ
り、VCL1、VCL2はVCCよりも低下し、VSL1、VSL2は
VSSよりも上昇する。第1段のインバータL1について
は、図1の場合と同様に、前記(i)(ii)の機構によって
サブスレッショルド電流が減少する。しかし、図10
(b)に示すように、L1の出力N1の論理振幅は入力信
号INの論理振幅よりも小さい。すなわち、INが低レ
ベル(=VSS)の時はN1の電圧レベルはVCL1になり、
INが高レベル(=VCC)の時はN1の電圧レベルはV
SL1になる。これが第2段のインバータL2の入力となる
から、L2のサブスレッショルド電流低減のためには、
VCC>VCL1>VCL2、VSS<VSL1<VSL2となるように
抵抗値を設定するのが望ましい。これにより、L2につ
いても前記(i)(ii)の機構によってサブスレッショルド
電流が減少する。VCL1=VCL2、VSL1=VSL2の時は、
(i)による効果は得られるが(ii)による効果は得られな
い。Next, the case of an inverter train in which inverters are connected in multiple stages will be described. For the sake of simplicity, the principle will first be described in the case of two stages. FIG. 10A is a circuit diagram when the CMOS inverters L 1 and L 2 are connected. For each inverter in each stage, switches S Ci , S Si and resistors R Ci , R Si
(I = 1, 2) is inserted. In high-speed operation mode, turn on all four switches, V CC, to apply the V SS directly to the inverter L 1, L 2. Inverter MOS
If the threshold voltage (V T ) of the transistor is set low, high-speed operation can be achieved. On the other hand, in the low power consumption mode, all four switches are turned off, and power is supplied to the inverter through a resistor. Due to the voltage drop caused by the flow of the subthreshold current through the resistor, V CL1 and V CL2 fall below V CC , and V SL1 and V SL2 rise above V SS . The inverter L 1 of the first stage, as in the case of FIG. 1, the subthreshold current decreases by a mechanism of the (i) (ii). However, FIG.
(B), the logical amplitude of the output N 1 of L 1 is smaller than the logical amplitude of the input signal IN. That is, when IN is at a low level (= V SS ), the voltage level of N 1 becomes V CL1 ,
IN the voltage level of the N 1 is at high level (= V CC) is V
Becomes SL1 . This because is the input of the inverter L 2 of the second stage, for reducing the subthreshold current of L 2 is
It is desirable to set the resistance value so that V CC > V CL1 > V CL2 and V SS <V SL1 <V SL2 . Accordingly, subthreshold current decreases by a mechanism of the (i) (ii) also L 2. When V CL1 = V CL2 and V SL1 = V SL2 ,
The effect of (i) is obtained, but the effect of (ii) is not obtained.
【0038】図11(a)に示す多段接続の場合も上と
同様で、VCC>VCL1>VCL2>……>VCLk、VSS<V
SL1<VSL2<……<VSLkとなるようにするのがよい。
ただし、図11(b)に示すように、1段ごとに論理振
幅が小さくなるので、適宜レベル変換回路を挿入して振
幅を回復させる。この例では、k段のインバータの後に
レベル変換回路LCを付加して、出力信号OUTの論理
振幅が入力信号INと同じになるようにしている。この
種のレベル変換回路は、例えばシンポジウム・オン・ブ
イ・エル・エス・アイ・サーキッツ、ダイジェスト・オ
ブ・テクニカル・ペーパーズ、第82頁から第83頁、
1992年6月(Symposium on VLSI Circuits, Digest
of Technical Papers, pp.82-83, June 1992)に記載
されている。レベル変換回路LCは高速動作時には不要
である。なぜなら、スイッチがすべてオンになっている
ので、VCL1=VCL2=……=VCLk=VCC、VSL1=V
SL2=……=VSLk=VSSであり、論理振幅の減少がない
からである。したがって、高速動作時には、スイッチS
LCをオンにしてレベル変換回路をバイパスさせることに
よって、遅延を避けることができる。The same applies to the case of the multistage connection shown in FIG. 11A, where V CC > V CL1 > V CL2 >...> V CLk , V SS <V
SL1 <V SL2 <...... <better to so as to be V SLk.
However, as shown in FIG. 11B, since the logical amplitude becomes smaller for each stage, an appropriate level conversion circuit is inserted to recover the amplitude. In this example, a level conversion circuit LC is added after the k-stage inverter so that the logical amplitude of the output signal OUT becomes the same as that of the input signal IN. This type of level conversion circuit is described in, for example, Symposium on VSI Circuits, Digest of Technical Papers, pp. 82-83,
June 1992 (Symposium on VLSI Circuits, Digest
of Technical Papers, pp.82-83, June 1992). The level conversion circuit LC is unnecessary at the time of high-speed operation. Because all switches are on, V CL1 = V CL2 =... = V CLk = V CC , V SL1 = V
SL2 = ...... is a = V SLk = V SS, because there is no reduction in the logic amplitude. Therefore, during high-speed operation, the switch S
By turning on the LC and bypassing the level conversion circuit, delays can be avoided.
【0039】図12(a)に多段接続インバータ列の他
の例を示す。この例では、スイッチSC、SSと抵抗
RC、RSがすべてのインバータL1〜Lkにより共有され
ており、電圧VCL、VSLはL1〜Lkに共通である。それ
ゆえに、図10の説明で述べたように、前記(i)の機構
によるサブスレッショルド電流低減効果は得られるが(i
i)による効果は得られない。したがって、サブスレッシ
ョルド電流低減効果は前参考例よりも小さくなる。しか
し、その反面スイッチと抵抗のレイアウト面積が節約で
きるという利点がある。また、図12(b)に示すよう
に、すべての信号(入出力信号を含めて)の電圧レベル
が同一であり、前参考例のような論理振幅の減少がない
という特長がある。そのため、レベル変換回路は不要で
あり、また、NAND、NORなどの論理が組みやすい
という利点がある。FIG. 12A shows another example of a multistage connected inverter array. In this example, the switches S C and S S and the resistances R C and R S are shared by all the inverters L 1 to L k, and the voltages V CL and V SL are common to L 1 to L k . Therefore, as described in the description of FIG. 10, although the sub-threshold current reducing effect by the mechanism (i) is obtained,
The effect of i) cannot be obtained. Therefore, the effect of reducing the subthreshold current is smaller than that of the reference example. However, on the other hand, there is an advantage that the layout area of the switch and the resistor can be saved. Further, as shown in FIG. 12B, the voltage levels of all signals (including input / output signals) are the same, and there is a feature that the logic amplitude does not decrease as in the reference example. Therefore, there is an advantage that a level conversion circuit is not required and that logic such as NAND and NOR can be easily assembled.
【0040】次に、本発明を適用する半導体集積回路を
一般の組合せ論理回路に適用する場合について述べる。Next, a case where the semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied is applied to a general combinational logic circuit will be described.
【0041】例えば、図13に示す組合せ論理回路を考
える。これに本発明を適用する半導体集積回路を適用す
るには、まず論理ゲートを図13のようにグループ分け
する。この例では、15個の論理ゲートL1〜L15が3
つのグループG1、G2、G3に分けられている。グルー
プ分けに当たっては、第i番目のグループに含まれる論
理ゲートの出力信号は、第(i+1)番目以降のグルー
プの論理ゲートにのみ入力されるようにする。For example, consider the combinational logic circuit shown in FIG. To apply a semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied, first, logic gates are grouped as shown in FIG. In this example, 15 logic gates L 1 to L 15 are 3
Are divided into two groups G 1 , G 2 and G 3 . In the grouping, the output signals of the logic gates included in the i-th group are input only to the logic gates of the (i + 1) -th and subsequent groups.
【0042】次に、図14に示すように、各グループご
とに電源との間にスイッチと抵抗を挿入する。論理ゲー
トの出力信号の論理振幅は、図11の場合と同様に、1
段ごとに小さくなるから、図14に示すようにレベル変
換回路群GC1、GC2を挿入して振幅を回復させる。
尚、図示されていないが、高速動作時には図11の場合
と同様にレベル変換回路群GC1、GC2をパイパスさせ
てもよい。本参考例の特徴の1つは、同じグループに含
まれる論理ゲートは、スイッチと抵抗を共有しているこ
とである。図13の例で言えば、グループG1に含まれ
る3個のインバータは、スイッチSC1、SS1と抵抗
RC1、RS1を共有している。本参考例のもう1つの特徴
は、レベル変換回路の前後のグループでスイッチと抵抗
を共有していることである。すなわち、グループG1と
Gk+1はスイッチSC1、SS1および抵抗RC1、RS1を、
グループG2とGk+2はスイッチSC2、SS2および抵抗R
C2、RS2を、……、グループGkとG2kはスイッチ
SCk、SSkおよび抵抗RCk、RSkをそれぞれ共有してい
る。このように、複数の論理ゲートでスイッチと抵抗を
共有することにより、LSI全体として見ればスイッチ
と抵抗との数を低減でき、レイアウト面積を節約でき
る。Next, as shown in FIG. 14, a switch and a resistor are inserted between each group and the power supply. The logic amplitude of the output signal of the logic gate is 1 as in the case of FIG.
Since the level becomes smaller for each stage, the level conversion circuit groups GC 1 and GC 2 are inserted as shown in FIG. 14 to recover the amplitude.
Although not shown, the level conversion circuit groups GC 1 and GC 2 may be bypassed during high-speed operation as in the case of FIG. One of the features of this embodiment is that the logic gates included in the same group share a switch and a resistor. In the example of FIG. 13, three inverters included in the group G 1 is shared with the switch S C1, S S1 a resistor R C1, R S1. Another feature of the present embodiment is that the group before and after the level conversion circuit shares a switch and a resistor. That is, the groups G 1 and G k + 1 include the switches S C1 and S S1 and the resistances R C1 and R S1 ,
Groups G 2 and G k + 2 are comprised of switches S C2 , S S2 and resistor R
The C2, R S2, ......, a group G k and G 2k are sharing switches S Ck, S Sk and resistor R Ck, R Sk, respectively. As described above, by sharing a switch and a resistor with a plurality of logic gates, the number of switches and resistors can be reduced as a whole LSI, and the layout area can be saved.
【0043】図15に本発明を適用する半導体集積回路
の他の参考例を示す。図15の参考例がこれまでの参考
例と相違するのは、電圧リミッタ(降圧回路、昇圧回
路)VC1、VC2、……、VCk、VS1、VS2、…
…、VSkを用いていることである。低消費電力が要求
される時には、スイッチTC1〜TCk、TS1〜TSkを図示
の側に切換え、電圧リミッタによって論理ゲート群に電
源を供給する。電圧リミッタVC1、VC2、……、VC
kは、電源電圧VCC側の降圧回路として動作し、VCCよ
りも低くほぼ安定化された内部電圧VCL1、VCL2、…
…、VCLkをそれぞれ発生する。一方、VS1、VS2、
……、VSkは、接地VSS側の昇圧回路として動作し、
VSSよりも高くほぼ安定化された内部電圧VSL1、
VSL2、……、VSLkをそれぞれ発生する。発生する電圧
は前述の参考例と同様に、VCC>VCL1>VCL2>……>
VCLk、VSS<VSL1<VSL2<……<VSLkとするのがよ
い。尚、この種の電圧リミッタについては、特開平2−
246516号公報に開示されている。逆に、高速動作
が要求される時は、スイッチを図示されているのとは反
対側に切換えて、VCC、VSSを直接論理ゲート群に印加
して、高速動作を可能にする。尚、この時は電圧リミッ
タは不要になるので、その動作を停止させてもよい。FIG. 15 shows another reference example of a semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied. The reference example of FIG. 15 is different from the reference example so far, the voltage limiter (step-down circuit, a boosting circuit) VC 1, VC 2, ...... , VC k, VS 1, VS 2, ...
.., VS k is used. When low power consumption is required, the switches T C1 to T Ck and T S1 to T Sk are switched to the illustrated side, and power is supplied to the logic gate group by the voltage limiter. Voltage limiter VC 1, VC 2, ......, VC
k is the power supply voltage V CC side operates as a step-down circuit, the internal voltage V CL1 that is substantially stabilized lower than V CC, V CL2, ...
.., V CLk are generated. On the other hand, VS 1 , VS 2 ,
…, VS k operates as a booster circuit on the ground VSS side,
The internal voltage V SL1 , which is almost stabilized higher than V SS ,
V SL2 ,..., V SLk are respectively generated. The generated voltage is V CC > V CL1 > V CL2 >...
It is preferable that V CLk , V SS <V SL1 <V SL2 <... <V SLk . Incidentally, this type of voltage limiter is disclosed in
It is disclosed in 246516. Conversely, when high-speed operation is required, the switches are switched to the opposite side to those shown in the figure, and V cc and V ss are applied directly to the logic gate group to enable high-speed operation. In this case, since the voltage limiter is not required, the operation may be stopped.
【0044】これまでの参考例は、インバータ列や組合
せ論理回路といったフィードバックのない回路であった
が、本発明を適用する半導体集積回路はフィードバック
のある回路にも適用できる。一例として、図16(a)
に示す2個のNANDゲートを組合せたラッチ回路の場
合について説明する。図16(b)に回路図を示す。2
個のNANDゲートL1、L2と電源Vccおよび接地Vss
との間に、それぞれスイッチSC1、SS1、SC2、SS2お
よび抵抗RC1、RS1、RC2、RS2が挿入されている。V
CL1、VCL2がVCCよりも低下し、VSL1、VSL2がVSSよ
りも上昇し、前記(i)の機構によってサブスレッショル
ド電流が低減される。Although the reference example described so far is a circuit without feedback, such as an inverter array or a combinational logic circuit, the semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied can be applied to a circuit with feedback. As an example, FIG.
The case of a latch circuit combining two NAND gates shown in FIG. FIG. 16B shows a circuit diagram. 2
NAND gates L 1 and L 2 , power supply Vcc and ground Vss
Between them, switches S C1 , S S1 , S C2 , S S2 and resistors R C1 , R S1 , R C2 , R S2 are inserted, respectively. V
CL1, V CL2 is lower than V CC, V SL1, V SL2 rises than V SS, the subthreshold current by a mechanism of (i) is reduced.
【0045】図17は、さらにサブスレッショルド電流
を低減するために、情報のラッチに用いられる4個のM
OSトランジスタMP12、MP22、MN12、MN22のしきい
電圧VTを他のMOSトランジスタMP11、MP21、
MN11、MN21のしきい電圧より高く(よりエンハンスメ
ントに)した例である。入力信号が印加される他のMO
SトランジスタMP11、MP21、MN11、MN21のしきい電
圧VTは低いままであるから、高速動作が可能である。
この場合、VSS側のスイッチと抵抗は不要である。なぜ
ならば、高しきい電圧のVSS側トランジスタMN12、M
N22によって電流を確実に抑止できるからである。FIG. 17 shows four M bits used for latching information to further reduce the subthreshold current.
The threshold voltage V T of the OS transistors M P12 , M P22 , M N12 , M N22 is changed to the other MOS transistors M P11 , M P21 ,
This is an example in which the threshold voltages of M N11 and M N21 are higher (more enhanced). Another MO to which the input signal is applied
Since the threshold voltages V T of the S transistors M P11 , M P21 , M N11 , and M N21 remain low, high-speed operation is possible.
In this case, a switch and a resistor on the VSS side are unnecessary. This is because the high threshold voltage V SS side transistors M N12 , M N
This is because the current can be reliably suppressed by N22 .
【0046】これまでの参考例は、入力信号が低レベル
でも高レベルでもサブスレッショルド電流を低減できる
ものであった。しかし実際のLSIでは、サブスレッシ
ョルド電流低減が必要な時間帯、例えば待機状態におけ
る特定の信号のレベルは予め判っていることが多い。こ
のような場合は、より簡単な回路でサブスレッショルド
電流を低減することができる。In the reference examples described above, the subthreshold current can be reduced regardless of whether the input signal is low or high. However, in an actual LSI, the time period during which the subthreshold current needs to be reduced, for example, the level of a specific signal in a standby state, is often known in advance. In such a case, the subthreshold current can be reduced with a simpler circuit.
【0047】図18は、待機状態における入力信号IN
は低レベル(“L”)であると判っている場合のインバ
ータ列の回路例である。INが低レベルであるから、ノ
ードN1、N3、N5、……は高レベル、N2、N4、N6、
……は低レベルになり、PチャネルMOSトランジスタ
のうちMP2、MP4、……がオフ、NチャネルMOSトラ
ンジスタのうちMN1、MN3、……がオフである。スイッ
チと抵抗は、これらのオフ状態のトランジスタのソース
にのみ挿入すれば十分である。サブスレッショルド電流
が流れるのはオフ状態のトランジスタだからである。FIG. 18 shows the input signal IN in the standby state.
Is a circuit example of an inverter array when it is known that the inverter row is at a low level (“L”). Since IN is low, nodes N 1 , N 3 , N 5 ,... Are high, N 2 , N 4 , N 6 ,
Are low, M P2 , M P4 ,... Of the P-channel MOS transistors are off, and M N1 , M N3 ,... Of the N-channel MOS transistors are off. The switches and resistors need only be inserted into the sources of these off transistors. The reason why the subthreshold current flows is that the transistor is in an off state.
【0048】また、図19に示すように、スイッチと抵
抗を複数のインバータで共有しても差し支えない。これ
らの参考例は、入力信号のレベルが判っていなければな
らないという制約はあるが、簡単な回路でサブスレッシ
ョルド電流を低減できるという利点がある。図18、1
9を図11と比較してみれば明らかなように、スイッチ
と抵抗の数が少なくなり、レベル変換回路が不要にな
る。インバータだけでなくNAND、NORなどの論理
ゲートでも、待機状態における入力信号のレベルが判っ
ている場合は、より簡単な回路でサブスレッショルド電
流を低減することができる。As shown in FIG. 19, a switch and a resistor may be shared by a plurality of inverters. Although these reference examples have a restriction that the level of the input signal must be known, they have the advantage that the subthreshold current can be reduced with a simple circuit. FIG. 18, 1
As is clear from the comparison of FIG. 9 with FIG. 11, the number of switches and resistors is reduced, and a level conversion circuit becomes unnecessary. If the level of the input signal in the standby state is known not only for the inverter but also for the logic gates such as NAND and NOR, the subthreshold current can be reduced with a simpler circuit.
【0049】図20は2入力NANDゲート、図21は
2入力NORゲートの例である。2つの入力信号IN1
とIN2がいずれも低レベル、あるいはいずれも高レベ
ルの場合は、これらのゲートは実質的にインバータと等
価であるから、図18、図19で説明した方法が適用で
きる。問題は、図のように一方の入力が低レベル
(“L”)、他方の入力が高レベル(“H”)の場合で
ある。FIG. 20 shows an example of a two-input NAND gate, and FIG. 21 shows an example of a two-input NOR gate. Two input signals IN 1
When IN and IN 2 are both low level or both are high level, these gates are substantially equivalent to an inverter, so the method described in FIGS. 18 and 19 can be applied. The problem is when one input is low ("L") and the other input is high ("H") as shown.
【0050】図20のNANDゲートの場合は、Pチャ
ネルMOSトランジスタMP12とNチャネルMOSトラ
ンジスタMN11がオフであるが、出力OUTは高レベル
であるから、サブスレッショルド電流が流れるのはM
N11である。従って、VSS側にスイッチと抵抗を挿入す
ればよい。図21のNORゲートの場合は逆に、サブス
レッショルド電流が流れるのはPチャネルMOSトラン
ジスタMP14である。従って、VCC側にスイッチと抵抗
を挿入すればよい。図20、図21は上記方式を2入力
論理ゲートに適用した例であるが、3入力以上の論理ゲ
ートでも同様にできる。また、スイッチと抵抗は、他の
論理ゲートと共有してもよいことはもちろんである。In the case of the NAND gate of FIG. 20, although the P-channel MOS transistor M P12 and the N-channel MOS transistor M N11 are off, the output OUT is at a high level, so that the sub-threshold current flows through M.
N11 . Therefore, a switch and a resistor may be inserted on the VSS side. Conversely, in the case of the NOR gate of FIG. 21, it is the P-channel MOS transistor M P14 through which the subthreshold current flows. Therefore, a switch and a resistor may be inserted on the V CC side. 20 and 21 show examples in which the above method is applied to a two-input logic gate, but the same can be applied to a logic gate having three or more inputs. Also, the switch and the resistor may be shared with other logic gates.
【0051】図22はクロックインバータにおいて、待
機状態ではクロックCLK1は低レベル、CLK2は高レ
ベルであると判っている場合の回路例である。この場合
は、MOSトランジスタMP16、MN16が共にオフである
から、出力OUTは高インピーダンスになり、その電圧
レベルはOUTに接続されている他の回路(図示せず)
によって決まる。電圧レベルによってMOSトランジス
タMP16、MN16のいずれにサブスレッショルド電流が流
れるかが決まるから、この場合は、図のようにスイッチ
と抵抗をVCC側、VSS側の両方に挿入すればよい。一般
の組合せ論理回路の場合も、入力信号のレベルが予め判
っている場合は、より簡単な回路でサブスレッショルド
電流を低減することができる。図13に示した組合せ論
理回路を例にとりあげて説明する。[0051] Figure 22 is the clock inverter, the clock CLK 1 in the standby state is a circuit example in which known to be low, CLK 2 is at the high level. In this case, since both the MOS transistors M P16 and M N16 are off, the output OUT has a high impedance, and the voltage level of the output OUT is another circuit (not shown) connected to OUT.
Depends on Since the voltage level determines which of the MOS transistors M P16 and M N16 flows the subthreshold current, in this case, a switch and a resistor may be inserted on both the V CC side and the V SS side as shown in the figure. Also in the case of a general combinational logic circuit, if the level of the input signal is known in advance, the subthreshold current can be reduced with a simpler circuit. Description will be made by taking the combinational logic circuit shown in FIG. 13 as an example.
【0052】図23は、この回路の入力IN1〜IN6が
すべて低レベルと判っている場合の回路構成例である。
インバータL1〜L3、L5、L6については、図18、図
19と同様に、L1〜L3のVSS側とL5、L6のVCC側に
スイッチと抵抗を挿入する。NORゲートL7は、入力
信号がいずれも低レベルであるから、実質的にインバー
タと等価である。従って、VSS側にスイッチと抵抗を挿
入すればよい。NORゲートL4は、入力信号の一方が
低レベル、他方が高レベルであるから、図21と同様
に、VCC側にスイッチと抵抗を挿入する。回路グループ
G内の8個のNANDゲートのうち、L12だけは3つの
入力信号がすべて高レベルであり、インバータと等価で
あるから、VCC側にMCで示したスイッチと抵抗を挿入
する。他のNANDゲートは、入力信号に低レベルのも
のと高レベルのものが混在するから、図20と同様に、
VSS側にMSで示したスイッチと抵抗を挿入すればよ
い。以上の説明から明らかなように、出力が高レベルで
ある論理ゲートにはVSS側に、出力が低レベルである論
理ゲートにはVCC側に、スイッチと抵抗を挿入すればよ
い。図23に示すように、これらのスイッチと抵抗を複
数の論理ゲートで共有することにより、レイアウト面積
を節約できる。FIG. 23 shows an example of a circuit configuration in which all inputs IN 1 to IN 6 of this circuit are known to be at low level.
Regarding the inverters L 1 to L 3 , L 5 and L 6 , similarly to FIGS. 18 and 19, switches and resistors are inserted on the V SS side of L 1 to L 3 and the V CC side of L 5 and L 6. . NOR gate L 7, since both the input signal is low, is equivalent to a substantially inverter. Therefore, a switch and a resistor may be inserted on the VSS side. NOR gate L 4 are, one low-level input signal, since the other is high, as in FIG. 21, to insert a switch and resistor to V CC side. Of the eight NAND gates in the circuit group G, only L 12 is a three input signals are all high level, since an inverter equivalent, inserting a switch and a resistor shown in MC to V CC side. In other NAND gates, a low level signal and a high level signal are mixed in the input signal.
A switch and a resistor indicated by MS may be inserted on the V SS side. As is apparent from the above description, a switch and a resistor may be inserted on the V SS side for a logic gate whose output is high and on the V CC side for a logic gate whose output is low. As shown in FIG. 23, the layout area can be saved by sharing these switches and resistors with a plurality of logic gates.
【0053】図24はレイアウト構成の例を示す図であ
る。この例は他に開示されておらず本明細書で初めて示
されたものである。メモリ特にダイナミック形ランダム
アクセスメモリ(DRAM)のデコーダ回路とワードド
ライバ回路を例にしている。グループG1(デコーダ回
路),G21〜G24(ワードドライバ回路)は図23
のGと同種の回路グループであり、回路グループG1と
VCC側の電源であるVCC1との間にはMC1を、回路グ
ループG21〜G24とVCC側の電源であるVCC2との
間にはMC2を挿入している。MC1とMC2はpMO
Sで構成し、pMOSのオン抵抗とオフ抵抗によって、
図23のMCで示したスイッチと抵抗を実現している。
すなわち、オン抵抗は図23でスイッチを閉じた時の抵
抗であり、オフ抵抗は図23でスイッチを開いた時のR
cである。また、MAはメモリセルMCを2次元的に敷
き詰めたメモリセルアレーであり、ワードドライバ回路
の出力W1,W2のうち例えばW1が選択されるとデー
タ線対DT,DBにメモリセルの信号が読み出され、こ
れがセンスアンプSA1,SA2で増幅される。このよ
うな構成がDRAMでは多数あり、レイアウト上MAの
図24での横方向の長さとG1,G21〜G24の長さ
とはほぼ一致する。この時、MC1,MC2は多数のG
1,G21〜G24で共用し、この図24に示すよう
に、図中でセンスアンプ領域の下の領域に配置する。こ
のように配置することによりレイアウト面積を節約でき
る。FIG. 24 is a diagram showing an example of the layout configuration. This example is not disclosed elsewhere and is presented herein for the first time. A decoder circuit and a word driver circuit of a memory, particularly a dynamic random access memory (DRAM) are taken as an example. Groups G1 (decoder circuit) and G21 to G24 (word driver circuit) are shown in FIG.
G1 is a circuit group of the same kind as that of G, and MC1 is connected between the circuit group G1 and the power supply V CC1 on the V CC side, and between the circuit groups G21 to G24 and V CC2 which is the power supply on the V CC side. Has inserted MC2. MC1 and MC2 are pMO
S, and by the ON resistance and the OFF resistance of the pMOS,
The switches and resistors indicated by MC in FIG. 23 are realized.
That is, the ON resistance is the resistance when the switch is closed in FIG. 23, and the OFF resistance is the resistance when the switch is opened in FIG.
c. MA is a memory cell array in which memory cells MC are two-dimensionally spread, and when, for example, W1 is selected from the outputs W1 and W2 of the word driver circuit, the signal of the memory cell is read to the data line pair DT and DB. And amplified by the sense amplifiers SA1 and SA2. There are many such configurations in the DRAM, and the length of the MA in the horizontal direction in FIG. At this time, MC1 and MC2
1, are shared by G21 to G24, and are arranged in a region below the sense amplifier region in the drawing, as shown in FIG. With such an arrangement, the layout area can be saved.
【0054】フィードバックがある回路についても、信
号のレベルが予め判っている場合は、より簡単な回路で
サブスレッショルド電流を低減することができる。図2
5は、図16(a)のラッチに適用した例である。この
種のラッチは、待機状態においては普通、入力信号IN
1、IN2が共に高レベルであり、出力信号OUT1、O
UT2のうちの一方が低レベル、他方が高レベルとなっ
て1ビットの情報を保持している。図25は、OUT1
が低レベル、OUT2が高レベルであると判っている場
合の回路構成例である。NANDゲートL1は、2つの
入力信号が共に高レベルであるから、インバータと等価
であり、図18、図19と同様に、VCC側にスイッチと
抵抗を挿入する。NANDゲートL2は、入力信号の一
方が低レベル、他方が高レベルであるから、図20と同
様に、VSS側にスイッチと抵抗を挿入すればよい。これ
らのスイッチと抵抗は、他の論理ゲートと共有してもよ
いことはもちろんである。If the signal level of a circuit having feedback is known in advance, the subthreshold current can be reduced by a simpler circuit. FIG.
5 is an example applied to the latch of FIG. This type of latch is usually operated in the standby state with the input signal IN
1 and IN 2 are both at a high level, and the output signals OUT 1 and O 2
One of the UTs 2 has a low level and the other has a high level, and holds one bit of information. FIG. 25 shows OUT 1
There is a circuit configuration example when you know the low-level, OUT 2 is at a high level. NAND gate L 1, since two input signals are both at a high level, an inverter equivalent, 18, similarly to FIG. 19, to insert a switch and resistor to V CC side. NAND gate L 2, while the low level of the input signal, since the other is high, as in FIG. 20, may be inserted switch and resistor to V SS side. Of course, these switches and resistors may be shared with other logic gates.
【0055】図26は、上記方式をメモリLSIなどで
周知のデータ出力バッファに適用した例である。待機状
態においては、出力エネーブル信号OEが低レベルであ
り、NANDゲートL21及びL22の出力は高レベル、イ
ンバータL23の出力は低レベルである。従って、出力段
L24を構成する2個のMOSトランジスタMP20および
MN20は共にオフであり、出力DOUTは高インピーダ
ンスである。論理ゲートL21〜L23については、図23
の説明で述べた方針に従って、VSS側もしくはVCC側に
スイッチと抵抗を挿入すればよい。出力段L24について
は、図22のクロックインバータの場合と同様に、スイ
ッチと抵抗をVCC側、VSS側の両方に挿入すればよい。FIG. 26 shows an example in which the above method is applied to a well-known data output buffer such as a memory LSI. In the standby state, the output enable signal OE is the low level, the output is high level NAND gate L 21 and L 22, an output of the inverter L 23 is a low level. Therefore, the two MOS transistors M P20 and M N20 forming the output stage L 24 are both off, and the output DOUT is high impedance. The logic gate L 21 ~L 23, FIG. 23
In accordance with the policy described in the above description, a switch and a resistor may be inserted on the VSS side or the VCC side. The output stage L 24, similarly to the case of the clock inverter of Figure 22, may be inserted switch and resistor V CC side, both V SS side.
【0056】図27は、上記方式をメモリLSIなどで
周知のデータ入力バッファに適用した例である。図中、
SBは待機状態のときに高レベルになる信号である。イ
ンバータL31およびL32の出力は、図4および図7に示
したように、それぞれφS、φCとしてスイッチの制御に
用いることができる。L33はNANDゲートであり、そ
の入力はφSとデータ入力信号DINである。待機状態の
ときはφSは低レベルであるから、DINの如何にかかわ
らずL33の出力は高レベル、従ってインバータL34の出
力dINの出力は低レベルになる。一方、動作状態のとき
は、SBが低レベルであるから、dINはDINに追随す
る。NANDゲートL33とインバータL34については、
それぞれVSS側、VCC側にスイッチと抵抗を挿入する
ことにより、サブスレッショルド電流を低減できる。イ
ンバータL31とL32についてはこの手法は使えないが、
MOSトランジスタのしきい電圧を高くすることによ
り、サブスレッショルド電流を低減できる。待機状態と
動作状態の切り換えにはそれほど高速性は要求されない
ことが多いから、しきい電圧の高いMOSトランジスタ
を用いても差し支えない。図18〜26の参考例は、簡
単な回路でサブスレッショルド電流を低減できるという
利点がある反面、サブスレッショルド電流低減が必要な
時間帯、例えば待機状態における信号レベルが判ってい
なければ適用できないという制約がある。従って、この
ときには、LSI内のできるだけ多くのノードのレベル
が確定するようにすることが望ましい。図27の入力バ
ッファを用いることによって、このときの信号dINのレ
ベルを低レベルに確定させることができる。なお、信号
dINのレベルを確定させる方法としては、この他に、例
えば「待機状態のときはデータ入力端子DINは低レベル
(または高レベル)にする」という仕様を定めておく方
法もある。以上、データ入力バッファについて述べた
が、アドレス信号その他の信号の入力バッファも同様で
ある。FIG. 27 shows an example in which the above method is applied to a well-known data input buffer such as a memory LSI. In the figure,
SB is a signal that goes high in the standby state. The output of the inverter L 31 and L 32 are, as shown in FIGS. 4 and 7, can be used to phi S, switch control of the phi C, respectively. L 33 is a NAND gate whose inputs are the phi S and the data input signal D IN. Since φ S is at the low level in the standby state, the output of L 33 is at the high level regardless of D IN , and the output of the output d IN of the inverter L 34 is at the low level. On the other hand, in the operating state, d IN follows D IN because SB is at a low level. For NAND gate L 33 and the inverter L 34 is
Each V SS side, by inserting a switch and resistor to VCC side, can be reduced subthreshold current. But it can not be used this approach for inverter L 31 and L 32,
The subthreshold current can be reduced by increasing the threshold voltage of the MOS transistor. Since switching between the standby state and the operating state does not often require a high speed, a MOS transistor having a high threshold voltage may be used. The reference examples of FIGS. 18 to 26 have the advantage that the sub-threshold current can be reduced with a simple circuit, but cannot be applied unless the signal level in the standby time is known, for example, during the time when the sub-threshold current reduction is required. There is. Therefore, at this time, it is desirable to determine the levels of as many nodes as possible in the LSI. By using the input buffer of FIG. 27, the level of the signal d IN at this time can be determined to a low level. In addition, as a method for determining the level of the signal d IN , for example, there is also a method of setting a specification that “the data input terminal D IN is set to a low level (or a high level) in a standby state”. . The data input buffer has been described above, but the same applies to the input buffers for address signals and other signals.
【0057】図18〜図27の参考例は、メモリLSI
に適用するのに好適である。メモリLSIでは、待機状
態の時に高レベルであるか低レベルであるかが判ってい
るノードが比較的多く、さらに図27の入力バッファを
用いることによってほとんどのノードのレベルを確定さ
せられるからである。図26、27の参考例は、LSI
チップの外部端子に対する入出力回路としてだけでな
く、例えばマイクロプロセッサの内部バスに対するドラ
イバ/レシーバとしても用いることができる。FIGS. 18 to 27 show a memory LSI.
It is suitable to be applied to. This is because, in the memory LSI, there are relatively many nodes that are known to be at the high level or the low level in the standby state, and the levels of most nodes can be determined by using the input buffer of FIG. . 26 and 27 are LSIs.
It can be used not only as an input / output circuit for external terminals of the chip but also as a driver / receiver for an internal bus of a microprocessor, for example.
【0058】これまでは本発明を用いる半導体集積回路
をCMOS回路に適用した参考例について述べてきた
が、本発明を用いる半導体集積回路は、単一極性のMO
Sトランジスタで構成された回路にも適用できる。図2
8にNチャネルMOSトランジスタのみで構成された回
路の例を示す。図中、PCはプリチャージ信号、I
N1、IN2は入力信号である。待機時、すなわちプリチ
ャージ状態では、PCが高レベル、IN1とIN2は低レ
ベルであり、出力OUTは高レベル(=VCC−VT)に
プリチャージされている。動作時には、PCが低レベル
になった後、IN1とIN2は高レベルになるかあるいは
低レベルにとどまる。IN1とIN2のうち少なくとも一
方が高レベルになれば、OUTは低レベルになり、両方
共低レベルにとどまれば、OUTは高レベルのままであ
る。すなわち、この回路はIN1とIN2のNORを出力
する回路である。この回路では、待機時にオフになって
いるトランジスタは、VSS側のMN41、MN42であり、こ
れらのトランジスタにサブスレッショルド電流が流れ
る。従って、この回路に本発明を用いる半導体集積回路
を適用するには、図に示すように、VSS側にスイッチと
抵抗を挿入すればよい。VCC側には不要である。Although a reference example in which a semiconductor integrated circuit using the present invention is applied to a CMOS circuit has been described above, a semiconductor integrated circuit using the present invention has a unipolar MO.
The present invention can also be applied to a circuit including S transistors. FIG.
8 shows an example of a circuit composed of only N-channel MOS transistors. In the figure, PC is a precharge signal, I
N 1 and IN 2 are input signals. Standby, i.e. in the precharge state, PC is high, IN 1 and IN 2 are at a low level, the output OUT is precharged to a high level (= V CC -V T). In operation, after the PC becomes low level, IN 1 and IN 2 remains at or low level becomes the high level. If at least one of the IN 1 and IN 2 are at a high level, OUT goes low, if you stay in both low and OUT remains high. Namely, this circuit is a circuit for outputting the NOR of IN 1 and IN 2. In this circuit, the transistors that are turned off during standby are M N41 and M N42 on the V SS side, and a subthreshold current flows through these transistors. Therefore, to apply a semiconductor integrated circuit using the present invention to this circuit, a switch and a resistor may be inserted on the VSS side as shown in the figure. It is not needed on the V CC side.
【0059】図18〜28の参考例は、簡単な回路でサ
ブスレッショルド電流を低減できるという利点がある反
面、サブスレッショルド電流低減が必要な時間帯、例え
ば待機状態における信号レベルが判っていなければ適用
できないという制約がある。従って、このときには、L
SI内のできるだけ多くのノードのレベルが確定するよ
うにすることが望ましい。このための手段としては、図
27の入力バッファのような回路を用いることによっ
て、このときの信号dINのレベルを低レベルに確定させ
ることができる。このレベルを確定させる方法として
は、この他に、例えば「待機状態のときはデータ入力端
子DINは低レベル(または高レベル)にする」という仕
様を定めておく方法もある。図18〜図28の参考例
は、メモリLSIに適用するのに好適である。メモリL
SIでは、待機状態の時に高レベルであるか低レベルで
あるかが判っているノードが比較的多く、さらに図27
の入力バッファを用いることによってほとんどのノード
のレベルを確定させられるからである。The reference examples shown in FIGS. 18 to 28 have the advantage that the sub-threshold current can be reduced with a simple circuit, but are applicable when the sub-threshold current reduction is required, for example, when the signal level in the standby state is not known. There is a restriction that you can not. Therefore, at this time, L
It is desirable to determine the level of as many nodes as possible in the SI. As means for this purpose, the level of the signal d IN at this time can be determined to be low by using a circuit such as the input buffer in FIG. As another method for determining this level, for example, there is also a method of setting a specification that “the data input terminal D IN is set to a low level (or a high level) in a standby state”. The reference examples of FIGS. 18 to 28 are suitable for application to a memory LSI. Memory L
In the SI, there are relatively many nodes that are known to be at the high level or the low level in the standby state.
This is because the levels of most of the nodes can be determined by using the input buffer.
【0060】以上の例では、論理振幅が段数の増加とと
もに低下したり、入力信号の電圧レベルが予め判ってい
ない場合にはやや複雑な設計が必要であるといった問題
がある。図29は、これらを解決するもので、論理出力
が確定するまでの所要時間帯は、これまで述べてきたよ
うにスイッチをオンにして、通常の高速動作をさせる。
それ以外の時間帯では、スイッチをオフにすることによ
って、論理回路(図はCMOSインバータの例)のサブ
スレッショルド電流経路を遮断するものである。ただ
し、スイッチがオフになると電源電圧の供給路が断たれ
るため、論理回路の出力はフローティングとなり、論理
出力は確定しなくなる。そこで、その出力に、電圧レベ
ルを保持する一種のラッチ回路(レベルホールド回路)
を設けていることが特長である。レベルホールド回路に
しきい電圧の高いトランジスタなどを使えば、レベルホ
ールド回路のサブスレッショルド電流は無視できるほど
小さくなり、全体としてはサブスレッショルド電流は小
さくできる。遅延時間は、レベルホールド回路の影響は
小さく、論理回路により定まる。論理回路に駆動能力の
大きい高速な回路を用いても、待機状態では論理回路を
通じて電流が流れないため、消費電流はレベルホールド
回路を通じて流れる電流だけである。レベルホールド回
路は、出力を保持するだけなので駆動能力が小さくて良
く、消費電流は小さくできる。スイッチをオフにして
も、レベルホールド回路により論理回路の出力が保持さ
れるので、出力が反転する恐れが無く、安定に動作す
る。したがって、低消費電力で高速に安定動作を行う半
導体装置を実現できる。本発明を適用する半導体集積回
路によれば、電圧レベルが常にレベルホールド回路で一
定値に保証されるので、論理段数の増加とともに論理振
幅が低下することはない。また、論理入力によらず効力
を発揮する。図29を用いてさらに本参考例を説明す
る。論理回路LCが、スイッチSWH及びSWLを介し
て、高電位の電源線VHH及び低電位の電源線VLLに
接続される。ここでVHHならびにVLLは、これまで
述べてきたVCC、VSSにそれぞれ対応させることもでき
る。論理回路LCの出力端子OUTには、レベルホール
ド回路LHが接続される。スイッチSWHとSWLは、
制御パルスCKで制御され、同時にオン,オフする。論
理回路LCは、インバータ、NAND回路、NOR回路
などの論理ゲートやフリップフロップ回路、あるいはそ
れら複数個の組合せで構成される。レベルホールド回路
LHは、正帰還回路により構成できる。論理回路LCの
動作は、スイッチSWH及びSWLをオンにして行う。
論理回路LCの入力INに応じた出力OUTが確定した
後、スイッチSWH及びSWLをオフにして、論理回路
LCを介したVHHからVSSへの電流経路を遮断し、
論理回路LCの出力をレベルホールド回路LHにより保
持する。回路の遅延時間には、レベルホールド回路LH
の影響は小さく、論理回路LCにより定まる。論理回路
LCに駆動能力の大きい回路を用いて遅延時間の短い高
速な動作を行うことができる。例えば待機状態では論理
回路LCを通じて電流が流れないため、消費電流はレベ
ルホールド回路LHを通じて流れる電流だけである。レ
ベルホールド回路LHは、駆動能力が小さくて良いの
で、消費電流は小さくできる。しかも、レベルホールド
回路LHにより論理回路LCの出力OUTが維持される
ため、誤動作の恐れがない。したがって、低消費電力で
高速に安定動作を行う回路を実現できる。In the above example, there are problems that the logic amplitude decreases with an increase in the number of stages, and that if the voltage level of the input signal is not known in advance, a more complicated design is required. FIG. 29 solves these problems. In the time period required until the logical output is determined, the switch is turned on as described above to perform a normal high-speed operation.
In other time zones, the switch is turned off to cut off the subthreshold current path of the logic circuit (the example is a CMOS inverter). However, when the switch is turned off, the supply path of the power supply voltage is cut off, so that the output of the logic circuit becomes floating and the logic output is not determined. Therefore, a kind of latch circuit (level hold circuit) that holds the voltage level at its output
Is a feature. If a high threshold voltage transistor or the like is used for the level hold circuit, the subthreshold current of the level hold circuit can be reduced to a negligible level, and the subthreshold current can be reduced as a whole. The delay time is less affected by the level hold circuit and is determined by the logic circuit. Even if a high-speed circuit having a large driving capability is used for the logic circuit, current does not flow through the logic circuit in the standby state, so that the current consumption is only the current flowing through the level hold circuit. Since the level hold circuit only holds the output, the driving capability may be small, and the current consumption can be reduced. Even when the switch is turned off, the output of the logic circuit is held by the level hold circuit, so that there is no possibility that the output is inverted and the operation is stable. Therefore, a semiconductor device that performs stable operation at high speed with low power consumption can be realized. According to the semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied, since the voltage level is always guaranteed to be a constant value by the level hold circuit, the logic amplitude does not decrease as the number of logic stages increases. In addition, it is effective regardless of the logic input. This reference example will be further described with reference to FIG. The logic circuit LC is connected to the high-potential power line VHH and the low-potential power line VLL via the switches SWH and SWL. Here, VHH and VLL can also correspond to V CC and V SS described above , respectively. A level hold circuit LH is connected to the output terminal OUT of the logic circuit LC. Switches SWH and SWL are
Controlled by the control pulse CK, they are turned on and off at the same time. The logic circuit LC includes logic gates and flip-flop circuits such as an inverter, a NAND circuit, and a NOR circuit, or a combination of a plurality of them. The level hold circuit LH can be constituted by a positive feedback circuit. The operation of the logic circuit LC is performed by turning on the switches SWH and SWL.
After the output OUT corresponding to the input IN of the logic circuit LC is determined, the switches SWH and SWL are turned off to cut off the current path from VHH to VSS via the logic circuit LC,
The output of the logic circuit LC is held by the level hold circuit LH. The circuit delay time includes a level hold circuit LH
Is small and is determined by the logic circuit LC. A high-speed operation with a short delay time can be performed by using a circuit having a large driving capability for the logic circuit LC. For example, in the standby state, no current flows through the logic circuit LC, and thus the consumption current is only the current flowing through the level hold circuit LH. Since the level holding circuit LH may have a small driving capability, the current consumption can be reduced. Moreover, since the output OUT of the logic circuit LC is maintained by the level hold circuit LH, there is no possibility of malfunction. Therefore, a circuit that performs stable operation at high speed with low power consumption can be realized.
【0061】本発明を適用する半導体集積回路をCMO
Sインバータで構成した参考例を、図30に示す。NM
OSトランジスタMN1,PMOSトランジスタMP1
が、それぞれ図29でのスイッチSWL,SWHとして
動作する。オフにしたときのリーク電流を小さくするた
め、トランジスタMN1,MP1のしきい値電圧は十分
大きくする。オン抵抗が大きくならないようにチャネル
幅/チャネル長を定める。NMOSトランジスタMN1
のゲートには制御パルスCKが、PMOSトランジスタ
MP1のゲートには制御パルスCKBが入力される。C
KBはCKの相補信号である。NMOSトランジスタM
N2とPMOSトランジスタMP2からなるCMOSイ
ンバータINVを、MN1,MP1に接続する。低電圧
動作で駆動能力を大きくするため、トランジスタMN
2,MP2のしきい値電圧は小さくする。インバータI
NVの出力端子OUTには、NMOSトランジスタMN
3,MN4とPMOSトランジスタMP3,MP4から
なるレベルホールド回路LHが接続される。出力を保持
している間の貫通電流を小さくするため、トランジスタ
MN3,MN4,MP3,MP4のしきい値電圧を十分
大きくし、チャネル幅/チャネル長を十分小さくする。
電源電圧としきい値電圧の数値例を挙げる。VLLを接
地電位0Vとし、VHHを外部電源電圧1Vとする。N
MOSトランジスタのしきい値電圧は、MN2は0.2
V,MN1とMN3及びMN4は0.4Vとする。PM
OSトランジスタのしきい値電圧は、MP2は−0.2
V,MP1とMP3及びMP4は−0.4Vとする。A semiconductor integrated circuit to which the present invention is applied is a CMO
FIG. 30 shows a reference example constituted by S inverters. NM
OS transistor MN1, PMOS transistor MP1
Operate as switches SWL and SWH in FIG. 29, respectively. In order to reduce the leakage current when turned off, the threshold voltages of the transistors MN1 and MP1 are set sufficiently high. The channel width / channel length is determined so that the on-resistance does not increase. NMOS transistor MN1
And the control pulse CKB is input to the gate of the PMOS transistor MP1. C
KB is a complementary signal of CK. NMOS transistor M
A CMOS inverter INV consisting of N2 and PMOS transistor MP2 is connected to MN1 and MP1. To increase the driving capability at low voltage operation, the transistor MN
2. The threshold voltage of MP2 is reduced. Inverter I
The output terminal OUT of the NV is connected to the NMOS transistor MN.
3, MN4 and a level hold circuit LH composed of PMOS transistors MP3, MP4. In order to reduce the through current while holding the output, the threshold voltages of the transistors MN3, MN4, MP3, and MP4 are made sufficiently large, and the channel width / channel length is made sufficiently small.
Numerical examples of the power supply voltage and the threshold voltage will be described. VLL is set to the ground potential 0V, and VHH is set to the external power supply voltage 1V. N
The threshold voltage of the MOS transistor is MN2 of 0.2
V, MN1, MN3 and MN4 are set to 0.4V. PM
The threshold voltage of the OS transistor is as follows: MP2 is −0.2
V, MP1, MP3, and MP4 are -0.4V.
【0062】図31に示すタイミング図を用いて、動作
を説明する。まず、制御パルスCKをVHHに上げ、C
KBをVLLに下げて、トランジスタMN1,MP1を
オンにして、インバータINVをVHH,VLLに接続
する。入力信号INがVLLからVHHに上がることに
より、MP2がオフにMN2がオンになり、出力OUT
がVHHからVLLに放電される。トランジスタMN2
は飽和領域で導通を始め、MN2を流れる電流値はゲー
ト(入力端子IN)−ソース(ノードNL)間の電圧で
定まる。トランジスタMN1がノードNLとVLLとの
間に設けられているので、MN1のオン抵抗とMN2か
ら流れる電流によりノードNLの電位が一時的に上昇す
る。しかし、MN1のゲートはVHHとなっているの
で、しきい値電圧が大きくても、オン抵抗が十分小さく
なるように設計することができ、遅延時間に対する影響
を小さくできる。また、出力OUTがVLLに反転する
とき、レベルホールド回路LHは出力OUTをVHHに
保つように、MN4がオフにMP4がオンになってい
る。そのため、MN2がオンになることによりVHHか
らMP4,MN2を通じてVLLに貫通電流が流れる
が、MN2に比べてMP4の駆動能力を小さく設計する
ことにより、遅延時間や消費電流に対する影響は小さ
い。出力OUTが下がることにより、MN3がオフにM
P3がオンになり、レベルホールド回路内のノードNL
HがVLLからVHHに反転し、MN4がオンにMP4
がオフになって、レベルホールド回路LHは出力OUT
をVLLに保つように動作し、貫通電流は流れなくな
る。MP2はゲート,ソースが共にVHHなのでオフで
あるが、しきい値電圧が小さいため、リーク電流が大き
く貫通電流がインバータINVを通じて流れる。そし
て、制御パルスCKをVLLに下げ、CKBをVHHに
上げて、トランジスタMN1,MP1をオフにして、イ
ンバータINVをVHH,VLLから分離する。このと
き、MN1,MP1はゲート,ソースが等電位で、しき
い値電圧が大きいため完全にオフになる。レベルホール
ド回路LHの正帰還により、出力OUTはVHHに保た
れる。このとき、NMOSトランジスタMN2がオンな
ので、ノードNLはVLLに保たれる。一方、ノードN
Hから出力端子OUTへのPMOSトランジスタMP2
のリーク電流のため、ノードNHの電圧は低下し始め
る。そして、MP2はゲート電位よりもソース電位が下
がり完全にオフとなる。その結果、待機状態でインバー
タINVの貫通電流は流れない。そして、入力信号IN
が変化する前に、制御パルスCKをVHHに上げ、CK
BをVLLに下げて、トランジスタMN1,MP1をオ
ンにして、ノードNHをVHHにする。入力INがVH
HからVLLに反転することにより、出力OUTがVL
LからVHHに反転する。インバータINVとレベルホ
ールド回路LHを通じて貫通電流が流れる期間が短くな
るように、レベルホールド回路LHが出力OUTにすば
やく追従するのが望ましい。そのため、インバータIN
Vとレベルホールド回路LHは近接して配置し、配線遅
延を小さくする。本参考例から明らかなように、スイッ
チとして用いるMOSトランジスタのしきい値電圧を、
従来サブスレッショルド電流を小さくするために必要と
されている0.4V程度以上にすれば、待機状態の貫通
電流を増加させずに、論理回路中のMOSトランジスタ
のしきい値電圧を小さくすることができる。動作電圧を
1V以下に低電圧化しても、MOSトランジスタのしき
い値電圧を0.25V以下にして駆動能力を確保でき
る。したがって、低電圧化による低消費電力化が実現で
きる。また、従来のスケーリング則に基づき、素子のス
ケーリングによる性能向上が実現できる。しかも、スイ
ッチとレベルホールド回路を負荷すること以外は、従来
のCMOS論理回路と同じ構成であるので、従来と同じ
設計手法を用いることができる。The operation will be described with reference to the timing chart shown in FIG. First, the control pulse CK is raised to VHH, and C
KB is lowered to VLL, transistors MN1 and MP1 are turned on, and the inverter INV is connected to VHH and VLL. When the input signal IN rises from VLL to VHH, MP2 turns off, MN2 turns on, and the output OUT
Is discharged from VHH to VLL. Transistor MN2
Starts conducting in the saturation region, and the value of the current flowing through MN2 is determined by the voltage between the gate (input terminal IN) and the source (node NL). Since the transistor MN1 is provided between the node NL and VLL, the potential of the node NL temporarily increases due to the on-resistance of MN1 and the current flowing from MN2. However, since the gate of MN1 is at VHH, the on-resistance can be designed to be sufficiently small even if the threshold voltage is large, and the effect on the delay time can be reduced. When the output OUT is inverted to VLL, the level hold circuit LH turns off MN4 and turns on MP4 so as to keep the output OUT at VHH. Therefore, when MN2 is turned on, a through current flows from VHH to VLL through MP4 and MN2. However, the effect on delay time and current consumption is small by designing the driving capability of MP4 smaller than that of MN2. When the output OUT falls, MN3 turns off and MN3 turns off.
P3 is turned on, and the node NL in the level hold circuit
H is inverted from VLL to VHH, MN4 turns on and MP4
Is turned off, and the level hold circuit LH outputs the output OUT.
Is maintained at VLL, and no through current flows. MP2 is off because both the gate and the source are VHH. However, since the threshold voltage is small, a large leak current flows through the inverter INV. Then, the control pulse CK is lowered to VLL, CKB is raised to VHH, the transistors MN1 and MP1 are turned off, and the inverter INV is separated from VHH and VLL. At this time, MN1 and MP1 are completely turned off because the gate and the source have the same potential and the threshold voltage is large. The output OUT is maintained at VHH by the positive feedback of the level hold circuit LH. At this time, since the NMOS transistor MN2 is on, the node NL is kept at VLL. On the other hand, node N
PMOS transistor MP2 from H to output terminal OUT
, The voltage of the node NH starts to decrease. Then, the source potential of MP2 falls below the gate potential and is completely turned off. As a result, the through current of the inverter INV does not flow in the standby state. Then, the input signal IN
Before the control signal changes, the control pulse CK is raised to VHH,
B is lowered to VLL, the transistors MN1 and MP1 are turned on, and the node NH is set to VHH. Input IN is VH
By inverting from H to VLL, the output OUT becomes VL
Invert from L to VHH. It is desirable that the level hold circuit LH quickly follow the output OUT so that the period during which a through current flows through the inverter INV and the level hold circuit LH is shortened. Therefore, the inverter IN
V and the level hold circuit LH are arranged close to each other to reduce wiring delay. As is apparent from this reference example, the threshold voltage of the MOS transistor used as a switch is
By setting the threshold voltage to about 0.4 V or more which is conventionally required to reduce the subthreshold current, the threshold voltage of the MOS transistor in the logic circuit can be reduced without increasing the through current in the standby state. it can. Even if the operating voltage is lowered to 1 V or less, the driving capability can be ensured by setting the threshold voltage of the MOS transistor to 0.25 V or less. Therefore, lower power consumption due to lower voltage can be realized. In addition, the performance can be improved by scaling the elements based on the conventional scaling rule. Moreover, since the configuration is the same as that of the conventional CMOS logic circuit except that a switch and a level hold circuit are loaded, the same design method as that of the conventional CMOS logic circuit can be used.
【0063】図32は、上記方式をCMOSインバータ
チェーンに適用した参考例を示している。図30に示し
た1段のインバータにスイッチ2個とレベルホールド回
路も設けた構成を多段接続すればインバータチェーンが
実現できるが、本参考例はスイッチやレベルホールド回
路を複数のインバータで共有して、素子数及び面積を小
さくした例である。ここでは4段のインバータチェーン
の場合を例にとるが、他の段数の場合も同様に構成され
る。4個のインバータINV1,INV2,INV3,
INV4が直列接続される。最終段のインバータINV
4の出力端子OUTにレベルホールド回路LHが接続さ
れる。各インバータは、図30中のINVと同様にPM
OSトランジスタとNMOSトランジスタ1個ずつで構
成される。各インバータのトランジスタサイズは、同じ
であっても異なっていても良い。ドライバとしてよく用
いられるように、チャネル長を同じにして、一定の段間
でチャネル幅をINV1,INV2,INV3,INV
4の順に大きくしていくこともできる。各インバータの
PMOSトランジスタのソースはノードNHに、NMO
SトランジスタのソースはノードNLに接続される。ノ
ードNLと低レベルの電源VLLとの間にスイッチSW
Lが、ノードNHと高レベルの電源VHHとの間にスイ
ッチSWHが設けられる。スイッチSWLとSWHは制
御パルスCKにより制御され、同時にオン,オフする。
図30に示したように、スイッチSWLはNMOSトラ
ンジスタで、SWHはCKの相補信号をゲートに入力し
たPMOSトランジスタで実現される。インバータチェ
ーンの動作は、スイッチSWL,SWHをオンにして行
う。例えば、入力INが低レベルVLLから高レベルV
HHに反転すると、インバータINV1によりノードN
1がVHHからVLLに反転し、INV2によりノード
N2がVLLからVHHに反転し、INV3によりノー
ドN3がVHHからVLLに反転し、INV4により出
力端子OUTがVLLからVHHに反転する。OUTが
VHHに確定すると、レベルホールド回路LHはOUT
をVHHに保つように動作する。待機状態では、スイッ
チSWL,SWHをオフにすることにより、インバータ
を介したVHHからVLLへの電流経路を遮断する。イ
ンバータチェーンに上記方式を適用する場合、本参考例
の様にインバータチェーンをまとめて一つの論理回路と
して取扱うことにより、その出力端子にのみレベルホー
ルド回路を設ければ良い。また、スイッチSWL,SW
Hを複数のインバータで共有できる。スイッチSWL、
SWHの大きさは、流れるピーク電流の大きさで決定さ
れる。複数個のインバータを流れる電流和のピークは、
各インバータのピーク電流での和よりも小さくなる。例
えば、段間比を3としてインバータチェーンを構成する
場合、電流和のピークは最終段のピーク電流にほぼ同じ
になる。したがって、複数のインバータでスイッチを共
有する方が、インバータごとにスイッチを設ける場合に
比べて、スイッチの面積が小さくて済む。FIG. 32 shows a reference example in which the above method is applied to a CMOS inverter chain. An inverter chain can be realized by connecting the configuration in which two switches and a level hold circuit are also provided to the one-stage inverter shown in FIG. 30 in multiple stages. In this example, the number of elements and the area are reduced. Here, the case of a four-stage inverter chain is taken as an example, but the same applies to the case of other stages. Four inverters INV1, INV2, INV3,
INV4 is connected in series. Last stage inverter INV
4 is connected to the level hold circuit LH. Each of the inverters has a PM like the INV in FIG.
It is composed of one OS transistor and one NMOS transistor. The transistor size of each inverter may be the same or different. As is often used as a driver, the channel width is set to INV1, INV2, INV3, and INV between fixed stages with the same channel length.
It can be increased in the order of 4. The source of the PMOS transistor of each inverter is connected to node NH and NMO
The source of the S transistor is connected to node NL. Switch SW between node NL and low level power supply VLL
L is provided with a switch SWH between the node NH and the high-level power supply VHH. The switches SWL and SWH are controlled by a control pulse CK, and are turned on and off at the same time.
As shown in FIG. 30, the switch SWL is implemented by an NMOS transistor, and the switch SWH is implemented by a PMOS transistor whose gate receives a complementary signal of CK. The operation of the inverter chain is performed by turning on the switches SWL and SWH. For example, when the input IN changes from a low level VLL to a high level V
When inverted to HH, the node N is controlled by the inverter INV1.
1 is inverted from VHH to VLL, the node N2 is inverted from VLL to VHH by INV2, the node N3 is inverted from VHH to VLL by INV3, and the output terminal OUT is inverted from VLL to VHH by INV4. When OUT is determined to be VHH, the level hold circuit LH
At VHH. In the standby state, the switches SWL and SWH are turned off to cut off the current path from VHH to VLL via the inverter. When the above-described method is applied to an inverter chain, a level hold circuit may be provided only at an output terminal of the inverter chain by treating the inverter chain as one logic circuit as in the present embodiment. Also, switches SWL, SW
H can be shared by a plurality of inverters. Switch SWL,
The magnitude of SWH is determined by the magnitude of the flowing peak current. The peak of the sum of currents flowing through multiple inverters is
It becomes smaller than the sum of the peak current of each inverter. For example, when an inverter chain is configured with an interstage ratio of 3, the peak of the current sum is substantially equal to the peak current of the final stage. Therefore, when a switch is shared by a plurality of inverters, the area of the switch is smaller than when a switch is provided for each inverter.
【0064】図33は、上記方式をインバータチェーン
に適用した別の参考例を示している。図32と同様に4
段のインバータチェーンの場合を例にとるが、他の段数
の場合も同様に構成される。4個のインバータINV
1,INV2,INV3,INV4が直列接続される。
インバータINV3の出力端子でINV4の入力端子で
あるノードN3とINV4の出力端子OUTに、それぞ
れレベルホールド回路LH3,LH4が接続される。各
インバータは、図30中のINVと同様にPMOSトラ
ンジスタとNMOSトランジスタ1個ずつで構成され
る。奇数番目のインバータINV1,INV3はノード
NL1及びNH1に、偶数番目のインバータINV2,
INV4はノードNL2及びNH2に接続される。ノー
ドNL1,NL2と低レベルの電源VLLとの間にそれ
ぞれスイッチSWL1,SWL2が、ノードNH1,N
H2と高レベルの電源VHHとの間にそれぞれスイッチ
SWH1,SWH2が設けられる。スイッチSWL1,
SWL2とSWH1,SWH2は制御パルスCKにより
制御され、同時にオン,オフする。インバータの動作
は、スイッチSWL1,SWL2,SWH1,SWH2
をオンにして行う。例えば、入力INが低レベルVLL
から高レベルVHHに反転すると、ノードN1がVHH
からVLLに、ノードN2がVLLからVHHに、ノー
ドN3がVHHからVLLに、INV4により出力端子
OUTがVLLからVHHに順次反転する。N3がVL
Lに確定すると、レベルホールド回路LH1はN3をV
LLに保つように動作する。また、OUTがVHHに確
定すると、レベルホールド回路LHはOUTをVHHに
保つように動作する。たとえば待機状態では、スイッチ
SWL1,SWL2,SWH1,SWH2をオフにする
ことにより、インバータを介したVHHからVLLへの
電流経路を遮断する。このとき、ノードN3がレベルホ
ールド回路LH3により低レベルVLLに保たれるた
め、ノードNL1もインバータINV3を通じてVLL
に保たれる。さらに、インバータINV1を通じてノー
ドN1がVLLに保たれる。同様に、出力端子OUTが
レベルホールド回路LH4により高レベルVHHに保た
れることにより、ノードNH2及びN2もVHHに保た
れる。したがって、インバータ間を接続するノードがV
HHとVLLのいずれかに保たれる。以上のように、ス
イッチを2組設け、奇数番目のインバータと偶数番目の
インバータとを違うスイッチに接続し、奇数番目のイン
バータのいずれかの出力端子と偶数番目のインバータの
いずれかの出力端子とに、それぞれレベルホールド回路
を接続することにより、インバータ間のノードN1,N
2,N3が全て高レベルと低レベルのいずれかに保たれ
る。待機状態が長く続いてもインバータの入力が中間レ
ベルとならないため安定に動作し、スイッチをオンにし
たときに情報が反転したり貫通電流が流れたりする恐れ
がない。以上上記方式を、CMOSインバータやインバ
ータチェーンに適用した参考例を示しながら説明してき
たが、論理回路にスイッチとレベルホールド回路を負荷
して低消費電力で高速に安定動作を行うという上記方式
の趣旨を逸脱しないかぎり、これまでに述べた参考例に
限定されるものではない。FIG. 33 shows another reference example in which the above method is applied to an inverter chain. As in FIG.
Although the case of a stage inverter chain is taken as an example, the same applies to the case of other stages. Four inverters INV
1, INV2, INV3, and INV4 are connected in series.
Level hold circuits LH3 and LH4 are connected to a node N3 which is an output terminal of the inverter INV3 and an input terminal of the INV4 and an output terminal OUT of the INV4, respectively. Each inverter includes one PMOS transistor and one NMOS transistor, similarly to INV in FIG. The odd-numbered inverters INV1 and INV3 are connected to the nodes NL1 and NH1, respectively, and are connected to the even-numbered inverters INV2 and INV2.
INV4 is connected to nodes NL2 and NH2. Switches SWL1 and SWL2 are connected between nodes NL1 and NL2 and low-level power supply VLL, respectively.
Switches SWH1 and SWH2 are provided between H2 and the high-level power supply VHH, respectively. Switch SWL1,
SWL2 and SWH1 and SWH2 are controlled by a control pulse CK, and are turned on and off at the same time. The operation of the inverter is performed by the switches SWL1, SWL2, SWH1, SWH2.
Is turned on. For example, if the input IN is a low level VLL
From the high level to the high level VHH, the node N1
, The node N2 changes from VLL to VHH, the node N3 changes from VHH to VLL, and the output terminal OUT changes from VLL to VHH by INV4. N3 is VL
When it is determined to be L, the level hold circuit LH1 sets N3 to V
It operates to keep LL. When OUT is determined to be VHH, the level hold circuit LH operates to maintain OUT at VHH. For example, in the standby state, the switches SWL1, SWL2, SWH1, and SWH2 are turned off to cut off the current path from VHH to VLL via the inverter. At this time, since the node N3 is kept at the low level VLL by the level hold circuit LH3, the node NL1 is also VLL through the inverter INV3.
Is kept. Further, the node N1 is kept at VLL through the inverter INV1. Similarly, when the output terminal OUT is kept at the high level VHH by the level hold circuit LH4, the nodes NH2 and N2 are also kept at VHH. Therefore, the node connecting the inverters is V
It is kept at either HH or VLL. As described above, two sets of switches are provided, the odd-numbered inverter and the even-numbered inverter are connected to different switches, and one of the output terminals of the odd-numbered inverter and one of the output terminals of the even-numbered inverter is connected to To the nodes N1 and N1 between the inverters
2, N3 are all maintained at either a high level or a low level. Even if the standby state continues for a long time, the input of the inverter does not reach the intermediate level, so that the inverter operates stably, and there is no possibility that the information is inverted or a through current flows when the switch is turned on. The above method has been described with reference to a reference example in which the method is applied to a CMOS inverter or an inverter chain. However, the purpose of the method is to load a logic circuit with a switch and a level hold circuit to perform stable operation at high speed with low power consumption. The present invention is not limited to the reference examples described so far as long as they do not deviate from the above.
【0065】例えば、上記方式をCMOSインバータに
適用した別の参考例を図34に示す。図30に示した参
考例では、スイッチとして動作するトランジスタMN
1,MP2をCMOSインバータINVと電源VLL,
VHHとの間に設けている。それに対して、本参考例で
はNMOSトランジスタとPMOSトランジスタとの間
に設ける。2個のNMOSトランジスタMN2,MN1
と2個のPMOSトランジスタMP1,MP2が直列
に、低レベルの電源VLLと高レベルの電源VHHの間
に接続される。NMOSトランジスタMN1,PMOS
トランジスタMP1は、スイッチとして動作する。オフ
にしたときのリーク電流を小さくするため、トランジス
タMN1,MP1のしきい値電圧は大きくする。NMO
SトランジスタMN1のゲートには制御パルスCKが、
PMOSトランジスタMP1のゲートにはCKの相補信
号の制御パルスCKBが入力される。NMOSトランジ
スタMN2とPMOSトランジスタMP2は、ゲートが
入力端子INに接続され、CMOSインバータとして動
作する。低電圧動作で駆動能力を大きくするため、トラ
ンジスタMN1,MP1のしきい値電圧は小さくする。
出力端子OUTには、図30と同様に構成されたレベル
ホールド回路LHが接続される。図30に示した参考例
と同様に、動作を行う。制御パルスCK,CKBによ
り、トランジスタMN1,MP1をオンにして、トラン
ジスタMN2,MP2をCMOSインバータとして動作
させる。例えば、入力INが低レベルVLLから高レベ
ルVHHに反転すると、それまでオフであったトランジ
スタMN2が導通し始め飽和領域で動作する。このとき
MN2の電流値はゲート−ソース間の電圧で定まる。本
参考例では、トランジスタMN1がMN2と出力端子O
UTとの間に設けられているので、MN1のオン抵抗は
MN2のドレインに接続される。そのため、MN1のオ
ン抵抗の、MN2の電流値に対する影響は小さい。出力
OUTが確定後、トランジスタMN1,MP1をオフに
して、貫通電流を防止し、レベルホールド回路LHによ
り出力OUTを維持する。本参考例のようにスイッチを
論理回路の出力端子側に挿入すると、スイッチを複数の
論理ゲートで共有することは出来ないが、スイッチのオ
ン抵抗の影響が小さい。スイッチとして用いるトランジ
スタが同じ場合、図30に示した参考例の様にスイッチ
を論理回路の電源側に設ける場合に比べて、遅延時間が
短くなる。あるいは、遅延時間が同じになるように設計
すると、スイッチとして用いるトランジスタのチャネル
幅/チャネル長が小さくて済み、その面積を小さくでき
る。FIG. 34 shows another reference example in which the above method is applied to a CMOS inverter. In the reference example shown in FIG. 30, the transistor MN that operates as a switch
1 and MP2 to the CMOS inverter INV and the power supply VLL,
VHH. On the other hand, in this embodiment, it is provided between the NMOS transistor and the PMOS transistor. Two NMOS transistors MN2, MN1
And two PMOS transistors MP1 and MP2 are connected in series between a low-level power supply VLL and a high-level power supply VHH. NMOS transistors MN1 and PMOS
The transistor MP1 operates as a switch. In order to reduce the leakage current when turned off, the threshold voltages of the transistors MN1 and MP1 are increased. NMO
A control pulse CK is applied to the gate of the S transistor MN1.
A control pulse CKB of a complementary signal of CK is input to the gate of the PMOS transistor MP1. The gates of the NMOS transistor MN2 and the PMOS transistor MP2 are connected to the input terminal IN, and operate as a CMOS inverter. The threshold voltage of the transistors MN1 and MP1 is reduced in order to increase the driving capability in the low-voltage operation.
The output terminal OUT is connected to a level hold circuit LH configured in the same manner as in FIG. The operation is performed in the same manner as in the reference example shown in FIG. The transistors MN1 and MP1 are turned on by the control pulses CK and CKB, and the transistors MN2 and MP2 are operated as CMOS inverters. For example, when the input IN is inverted from the low level VLL to the high level VHH, the transistor MN2 which has been turned off starts to conduct and operates in the saturation region. At this time, the current value of MN2 is determined by the voltage between the gate and the source. In this reference example, the transistor MN1 is connected to MN2 and the output terminal O.
Since it is provided between the UT and the UT, the on-resistance of MN1 is connected to the drain of MN2. Therefore, the influence of the ON resistance of MN1 on the current value of MN2 is small. After the output OUT is determined, the transistors MN1 and MP1 are turned off to prevent a through current, and the output OUT is maintained by the level hold circuit LH. When a switch is inserted on the output terminal side of a logic circuit as in this reference example, the switch cannot be shared by a plurality of logic gates, but the influence of the ON resistance of the switch is small. When the same transistor is used as the switch, the delay time is shorter than when the switch is provided on the power supply side of the logic circuit as in the reference example shown in FIG. Alternatively, if the delay time is designed to be the same, the channel width / channel length of the transistor used as a switch can be reduced, and the area can be reduced.
【0066】図35は、レベルホールド回路の別な構成
例である。このレベルホールド回路を、図30に示した
参考例でNMOSトランジスタMN3,MN4とPMO
SトランジスタMP3,MP4で構成されているレベル
ホールド回路LHと置き換えて、用いた場合について説
明する。このレベルホールド回路は、それぞれ3個のN
MOSトランジスタMN3,MN4,MN5とPMOS
トランジスタMP3,MP4,MP5で構成される。待
機状態でのリーク電流を低減するため、各トランジスタ
のしきい値電圧は大きくする。例えば、NMOSトラン
ジスタは0.4V,PMOSトランジスタは−0.4V
とする。MN3,MP3はインバータを構成しており、
MN4,MN5,MP4,MP5はスイッチングインバ
ータを構成している。MN5のゲートには制御パルスC
KBが、MP5のゲートには制御パルスCKが入力され
る。動作タイミングは、図30に示したレベルホールド
回路LHを用いた場合と同じで、図31に示したとおり
である。制御パルスCKを高レベルVHHに上げ、CK
Bを低レベルVLLに下げてインバータINVを動作さ
せる。この時、レベルホールド回路で、トランジスタM
N5,MP5がオフとなる。そのため、出力OUTが反
転するときに、インバータINVとレベルホールド回路
を通じて貫通電流が流れることがなく、遅延時間と消費
電流が小さくて済む。待機状態では、制御パルスCKを
低レベルVLLに下げ、CKBを高レベルVHHに上げ
てインバータINVを電源VLL,VHHから切り離
す。この時、レベルホールド回路で、トランジスタMN
5,MP5がオンとなり、正帰還により出力OUTが保
持される。FIG. 35 shows another configuration example of the level hold circuit. This level hold circuit is connected to the NMOS transistors MN3, MN4 and PMO in the reference example shown in FIG.
A case in which the level hold circuit LH configured by the S transistors MP3 and MP4 is used instead of the level hold circuit LH will be described. This level hold circuit has three N
MOS transistors MN3, MN4, MN5 and PMOS
It comprises transistors MP3, MP4 and MP5. In order to reduce the leakage current in the standby state, the threshold voltage of each transistor is increased. For example, an NMOS transistor is 0.4V, and a PMOS transistor is -0.4V.
And MN3 and MP3 constitute an inverter,
MN4, MN5, MP4, MP5 constitute a switching inverter. The control pulse C is applied to the gate of MN5.
Control pulse CK is inputted to the gate of KB and MP5. The operation timing is the same as that in the case where the level hold circuit LH shown in FIG. 30 is used, and is as shown in FIG. The control pulse CK is raised to a high level VHH and CK
B is lowered to the low level VLL to operate the inverter INV. At this time, the transistor M
N5 and MP5 are turned off. Therefore, when the output OUT is inverted, no through current flows through the inverter INV and the level hold circuit, and the delay time and the current consumption can be reduced. In the standby state, the control pulse CK is lowered to the low level VLL, the CKB is raised to the high level VHH, and the inverter INV is disconnected from the power supplies VLL and VHH. At this time, in the level hold circuit, the transistor MN
5, MP5 is turned on, and the output OUT is held by positive feedback.
【0067】このように、レベルホールド回路をインバ
ータとスイッチングインバータの組合せで構成すること
により、トランジスタが2個増えるが、論理回路とレベ
ルホールド回路が競合することが無くなり、遅延時間と
消費電流が小さくて済む。また、レベルホールド回路の
駆動能力を大きくしてもよく、出力端子でのリークが大
きい場合でも出力が変動する恐れがなく安定動作ができ
る。最近の3.3Vから5Vで動作するマイクロプロセ
ッサでは、前述したように低電力化するために、低電力
バックアップモード(スリープモード)などでは不必要
な回路へのクロックの印加を停止させ充放電電流を低減
したりしている。本参考例では、図42に示すように、
スリープモードの間クロックCK1t,CK2tをとも
に低レベルにすることにより、トランジスタMP11及
びMN11,MP12及びMN12がいずれもオフにな
り、論理回路LC1,LC2の両方の貫通電流が遮断さ
れる。そのため、スリープモードでは動作モードより
も、サブスレッショルド電流を低減する効果がさらに大
きい。図29〜図35の参考例では、一つのタイミング
信号CK(CKB)によって電源スイッチを制御してい
たが、LSI内に複数の回路ブロックがある場合はそれ
ぞれの電源スイッチを別々のタイミングで制御すること
によりサブスレッショルド電流をさらに減じることがで
きる。本発明の実施例としてこの方法を図36〜図39
に示す。なお、以下の手法ではサブスレッショルド電流
低減のみではなく一般の非過渡動作時の電流低減にも用
いることができる。As described above, by configuring the level hold circuit with the combination of the inverter and the switching inverter, the number of transistors increases by two. However, the logic circuit and the level hold circuit do not compete with each other, and the delay time and current consumption are reduced. I can do it. In addition, the driving capability of the level hold circuit may be increased, and stable operation can be performed without a possibility that the output fluctuates even when the leakage at the output terminal is large. As described above, in recent microprocessors operating from 3.3 V to 5 V, in order to reduce power consumption, application of a clock to circuits unnecessary in a low power backup mode (sleep mode) or the like is stopped to charge and discharge current. Or to reduce. In this reference example, as shown in FIG.
By setting both the clocks CK1t and CK2t to the low level during the sleep mode, the transistors MP11 and MN11, MP12 and MN12 are all turned off, and the through current of both the logic circuits LC1 and LC2 is cut off. Therefore, the effect of reducing the sub-threshold current is greater in the sleep mode than in the operation mode. In the reference examples of FIGS. 29 to 35, the power switch is controlled by one timing signal CK (CKB). However, when there are a plurality of circuit blocks in the LSI, each power switch is controlled at a different timing. Thereby, the subthreshold current can be further reduced. FIGS. 36 to 39 illustrate this method as an embodiment of the present invention.
Shown in The following method can be used not only for reducing the subthreshold current but also for reducing the current during general non-transient operation.
【0068】実施例1 図36は本発明の第1の実施例である複数の回路ブロッ
クの電源スイッチの制御例を示す例である。INはこの
LSIチップに入力する信号を代表させて示したもの
で、動作期間ではこのINの信号によって、LG1,L
G2,LG3と続く論理回路ブロックが次々と動作して
いく。各論理回路ブロックは図29〜図35で説明した
ように、論理回路LCとレベルホールド回路LHとから
なる。SWH1〜SWH3はVCCとLG1,LG2,
LG3との間に挿入した電源スイッチであり、SWL1
〜SWL3はVSSとLG1,LG2,LG3との間に
挿入した電源スイッチである。図36の特長は、LG1
の電源スイッチSWH1,SWL1の制御はスリープモ
ード/通常動作モード切り換え信号SLPで行うが、後
段のLG2,LG3以降は、前段の動作を感知する手段
KH1〜KH3によって電源スイッチSWH2〜SWL
3の制御を行うことにある。また、図面には示していな
いが後段の動作を検知し各論理回路ブロックの電源スイ
ッチをオフしたり、タイマを備え一定の時間後に自動的
に電源スイッチをオフする手段を設けてもよい。電源ス
イッチをオフしても各論理回路ブロック内のレベルホー
ルド回路によって情報は保持される。各論理回路ブロッ
クの電源スイッチは、論理回路ブロックが動作する時に
初めてオンになるので、LSI全体のサブスレッショル
ド電流は小さくなる。また、スリープモードから通常動
作モードへの移行は初段のみリセット(セット)すれば
良いため短い時間で済む。なお、図ではLG1において
KH1はLCの出力の変化を検知する例を示したが、L
Cの内部ノードの変化を検知しても良い。また、KH1
で次段のLG2の電源スイッチを活性化するだけでな
く、さらに後段のLG3の電源スイッチを活性化しても
良い。Embodiment 1 FIG. 36 is an example showing a control example of power switches of a plurality of circuit blocks according to a first embodiment of the present invention. IN represents a signal input to the LSI chip as a representative, and during the operation period, the signals of IN and LG1, L
The logic circuit blocks following G2 and LG3 operate one after another. Each logic circuit block includes a logic circuit LC and a level hold circuit LH as described with reference to FIGS. SWH1 to SWH3 are VCC and LG1, LG2,
This is a power switch inserted between the switch SW3 and LG3.
SWL3 are power switches inserted between VSS and LG1, LG2, LG3. The feature of FIG.
The power switches SWH1 and SWL1 are controlled by the sleep mode / normal operation mode switching signal SLP, and the power switches SWH2 to SWL of the subsequent stages LG2 and LG3 are detected by means KH1 to KH3 for sensing the operation of the preceding stage.
3 is performed. Although not shown in the drawings, means for detecting the operation at the subsequent stage and turning off the power switch of each logic circuit block, or having a timer and automatically turning off the power switch after a predetermined time may be provided. Even if the power switch is turned off, the information is held by the level hold circuit in each logic circuit block. Since the power switch of each logic circuit block is turned on for the first time when the logic circuit block operates, the sub-threshold current of the entire LSI decreases. Also, the transition from the sleep mode to the normal operation mode requires only a short time since only the first stage needs to be reset (set). In the figure, KH1 detects an output change of LC in LG1.
A change in an internal node of C may be detected. Also, KH1
Thus, not only the power switch of the next-stage LG2 may be activated, but also the power switch of the LG3 of the subsequent stage may be activated.
【0069】図36の動作例を図37に示す。SLPが
高レベルの時スリープモードであり、低レベルの時が動
作モードである例である。さて、時刻t1でSLPが高
レベルから低レベルに切り替わり、スリープ状態から通
常動作状態に切り替わる。これによって、初段のLG1
の電源スイッチSWH1,SWL1がオンになる。次
に、時刻t2でINが変化しLG1が動作する。この時
間t2−t1は、前述のようにSWH1,SWL1をオ
ンするのみで良いので短くて済む。なお、このSWH
1,SWL1はSLPが低レベルの間は常に活性化して
いる。一方、その他の電源スイッチは信号の流れに沿っ
て対応する回路ブロックのものがオンになる。すなわ
ち、時刻t3でLG1の出力φG1が切り替わり、これ
をKH1が検知してφ1を切り替え、次段のLG2の電
源スイッチSWH2,SWL2をオンにする。これによ
って、LG2が動作し、時刻t4でその出力φG2が切
り替わる。また、KH2がこの変化を検知しφ2を切り
替え、LG3の電源スイッチSWH3,SWL3をオン
する。これによってLG3が動作する。ここで、時刻t
4でφG2が切り替わり後段のLG3が動作し始めれ
ば、LG2はその出力レベルを保持しておきさえすれば
良い。このため、時刻t5で再びφ1を切り替え、電源
スイッチをオフすることができる。この時刻t5の検知
は前述のように後段の回路の出力からフィードバックし
ても良いし、タイマを設けても良い。以下、同様な動作
を行う。FIG. 37 shows an operation example of FIG. This is an example in which the sleep mode is when the SLP is at a high level, and the operation mode is when the SLP is at a low level. By the way, at time t1, the SLP switches from the high level to the low level, and switches from the sleep state to the normal operation state. Thereby, the first stage LG1
Power switches SWH1 and SWL1 are turned on. Next, at time t2, IN changes and LG1 operates. The time period t2 to t1 is short because only the SWH1 and SWL1 need to be turned on as described above. Note that this SWH
1, SWL1 is always active while SLP is at a low level. On the other hand, the other power switches of corresponding circuit blocks are turned on along the signal flow. That is, at time t3, the output φG1 of LG1 is switched, KH1 detects this, and switches φ1 to turn on the power switches SWH2, SWL2 of LG2 of the next stage. As a result, LG2 operates and its output φG2 switches at time t4. Further, KH2 detects this change, switches φ2, and turns on power switches SWH3 and SWL3 of LG3. As a result, the LG3 operates. Here, time t
If φG2 is switched at 4 and LG3 at the subsequent stage starts operating, it is only necessary that LG2 keep its output level. Therefore, φ1 is switched again at time t5, and the power switch can be turned off. The detection at the time t5 may be fed back from the output of the subsequent circuit as described above, or a timer may be provided. Hereinafter, a similar operation is performed.
【0070】実施例2 図38は本発明の第2の実施例であるクロックに同期し
て動作するLSIにおける電源スイッチの制御例を示す
図である。この例では、注目するLSIチップはクロッ
ク信号CLKに同期して動作し、しかもnサイクル(こ
こではn=4)のクロックによって、このLSIの一回
の動作が完了する場合である。チップ内では、CLKに
同期して入力INを受けて回路ブロックLG1〜LG4
が順に動作する。各回路ブロックは、前参考例同様に論
理回路とレベルホールド回路からなる。この例の特長は
CLKを用いて、電源線スイッチ制御回路SVで電源線
スイッチSWH1〜SWL4を制御し、サブスレッショ
ルド電流を小さく抑えることにある。各回路ブロックは
nサイクルのうちの1サイクルのみ動作するから、チッ
プ内部の信号の流れに沿って電源線スイッチを順次オン
し、またオフすれば良い。これによって、電源スイッチ
が活性化している回路ブロックはおよそn分の1に抑え
ることができる。Embodiment 2 FIG. 38 is a diagram showing a control example of a power switch in an LSI which operates in synchronization with a clock according to a second embodiment of the present invention. In this example, the LSI chip of interest operates in synchronization with the clock signal CLK, and one operation of this LSI is completed by a clock of n cycles (here, n = 4). In the chip, circuit blocks LG1 to LG4 receive input IN in synchronization with CLK.
Work in order. Each circuit block comprises a logic circuit and a level hold circuit as in the previous reference example. The feature of this example resides in that the power line switch control circuit SV controls the power line switches SWH1 to SWL4 by using the CLK to suppress the subthreshold current. Since each circuit block operates only one cycle out of n cycles, the power supply line switches may be sequentially turned on and off in accordance with the signal flow inside the chip. As a result, the number of circuit blocks in which the power switch is activated can be reduced to about 1 / n.
【0071】図38の動作例を図39に示す。CLKの
4クロック分でLSIチップの1サイクルが動作する例
である。1サイクル目のCLKの立ち下がりを受けて、
その時のINの信号を取り込み、φ1が切り替わりSW
H1,SWL1がオンになり、LG1が動作する。この
LG1の出力φG1が切り替わる前後に(図では少し
前)、次のCLKの立ち下がりを受けてφ2が切り替わ
り、SWH2,SWL2がオンになりLG2が動作可能
となる。φG1が切り替わり、LG2の動作が開始する
とLG1では出力レベルを保持しさえすれば良い。この
ため、適当なタイミング(ここでは次のCLKの立ち上
がり)によってSWH1,SWL1をオフし、LG1内
のレベルホールド回路によって信号を保持しておく。以
下、φ4まで示したように電源スイッチの制御を行う。
これによって、LSIチップ内の各回路ブロックでは、
その電源線スイッチをCLKによってこまめにオンオフ
できるので、サブスレッショルド電流を含めた消費電流
の小さな動作とすることができる。FIG. 39 shows an operation example of FIG. This is an example in which one cycle of the LSI chip operates with four clocks of CLK. In response to the falling edge of CLK in the first cycle,
The signal of IN at that time is taken in, φ1 is switched and SW
H1 and SWL1 are turned on, and LG1 operates. Before and after the output φG1 of LG1 is switched (slightly before in the figure), φ2 is switched in response to the next fall of CLK, SWH2 and SWL2 are turned on, and LG2 becomes operable. When φG1 is switched and the operation of LG2 starts, it is only necessary to keep the output level in LG1. Therefore, SWH1 and SWL1 are turned off at an appropriate timing (here, the next rising edge of CLK), and the signal is held by the level hold circuit in LG1. Hereinafter, the power switch is controlled as shown up to φ4.
As a result, in each circuit block in the LSI chip,
Since the power supply line switch can be turned on and off frequently by CLK, an operation with low current consumption including a subthreshold current can be performed.
【0072】マイクロプロセッサのようなランダムロジ
ックLSIなどにおいては、内部のレジスタの出力を固
定したり、リセット機能付きフリップフロップ回路など
の論理を追加して、問題となるノードの電圧を強制的に
固定することも有効である。図40に、出力を固定でき
るラッチ回路の構成例を示す。この回路は、通常のラッ
チ回路中のインバータをNAND回路で置き換えただけ
の簡単な構成である。図41に示すように、φSが高レ
ベルの間は通常のラッチ回路とし動作し、φSが低レベ
ルの間(スリープモード)は出力信号Qのレベルを高レ
ベルに確定させる。ここで、スリープモードとは、消費
電流低減のために、LSI全体もしくは回路ブロック単
位の動作を停止させるモードである。なお、スリープモ
ードの間、φtを低レベル,φbを高レベルにしておけ
ば、ラッチ回路自身のサブスレッショルド電流も低減で
きる。このラッチ回路を用いた場合、φSが低レベルに
なることによりノードN41が強制的に高レベルになるた
め、スリープモードによりレジスタの情報が消去され
る。しかし、CPU中の必要な情報を主記憶へ退避して
おき、スリープモード後にリセット状態から再開するよ
うな使い方、例えばノートパソコンで入力が一定時間無
いときに待機状態にするレジューム機能などでは問題な
い。図42は出力を強制的に固定できるラッチ回路の別
な構成例である。図43に示すように、この回路も、φ
Sが高レベルの間は通常のラッチ回路とし動作し、φSが
低レベルの間は出力信号Qのレベルを高レベルに確定さ
せる。このラッチ回路は、φSが低レベルになってもノ
ードN41に影響しないため、スリープモードの間も情報
を保持できる。スリープモード解除後にスリープモード
前の状態からそのまま再開でき、CPUがタスクを実行
している間でもスリープモードにできる。そのため、ス
リープモードから比較的短時間で復帰するような場合に
好適である。尚、ランダムロジックLSIのように複雑
な動作をするLSI等においては、例えば待機状態での
チップ内部の各ノードの論理(電圧)状態をデザインオ
ートメーション(DA)の手法を用いて求め、その結果
に応じて、DAで上述したスイッチと抵抗を挿入する位
置を自動的に決めることができる。図18〜図27の参
考例は、入力信号が特定のレベルにあることを前提とし
ている。入力レベルが意図したレベルとは異なる場合
は、サブスレッショルド電流低減効果が小さくなる。し
たがって、例えば電源投入時においては、入力信号レベ
ルが確定せず、大きなサブスレッショルド電流が流れる
可能性がある。これを防ぐためには、本発明の実施例と
して図44より図48に示すように電源線にスイッチを
入れることが望ましい。In a random logic LSI or the like such as a microprocessor, the output of an internal register is fixed, or a logic such as a flip-flop circuit with a reset function is added to forcibly fix the voltage of a problematic node. It is also effective to do so. FIG. 40 shows a configuration example of a latch circuit capable of fixing an output. This circuit has a simple configuration in which an inverter in a normal latch circuit is replaced with a NAND circuit. As shown in FIG. 41, while φ S is at a high level, the circuit operates as a normal latch circuit, and while φ S is at a low level (sleep mode), the level of the output signal Q is fixed at a high level. Here, the sleep mode is a mode in which the operation of the entire LSI or a unit of a circuit block is stopped in order to reduce current consumption. If φt is set to a low level and φb is set to a high level during the sleep mode, the subthreshold current of the latch circuit itself can be reduced. When using the latch circuits, phi S is because the node N 41 by becoming to the low level is forced to high level, the information of the register is cleared by the sleep mode. However, there is no problem in a method of saving necessary information in the CPU to the main memory and resuming from the reset state after the sleep mode, for example, a resume function for setting a notebook computer to a standby state when there is no input for a predetermined time. . FIG. 42 shows another configuration example of the latch circuit that can forcibly fix the output. As shown in FIG. 43, this circuit also has φ
S is between the high level and operates a normal latch circuit, while phi S is at low level to determine the level of the output signal Q to the high level. The latch circuit, phi because S does not affect the node N 41 be in a low level, can hold also information during the sleep mode. After the sleep mode is released, the sleep mode can be resumed from the state before the sleep mode, and the sleep mode can be set even while the CPU is executing the task. Therefore, it is suitable when returning from the sleep mode in a relatively short time. In an LSI or the like that performs a complicated operation such as a random logic LSI, for example, the logic (voltage) state of each node inside the chip in a standby state is obtained by using the design automation (DA) method, and the result is obtained. Accordingly, the position where the above-described switch and resistor are inserted can be automatically determined by DA. The reference examples of FIGS. 18 to 27 assume that the input signal is at a specific level. If the input level is different from the intended level, the effect of reducing the subthreshold current is reduced. Therefore, for example, when the power is turned on, the input signal level is not determined, and a large subthreshold current may flow. To prevent this, it is desirable to switch on the power supply line as shown in FIGS. 44 to 48 as an embodiment of the present invention.
【0073】実施例3 図44は、本発明の第3の実施例である電源線スイッチ
の第1の制御例を示す図である。K1は、例えば図18
〜図27に示した論理ゲート群である。電源線スイッチ
SCCは制御回路SVによって制御される。この回路中
には、外部印加電源VCCのレベルを検知するレベル検
知回路LD1と、外部入力信号INのレベルを検知する
レベル検知回路LD2があり、これらの回路はそれぞれ
出力信号φVC及びφSBを発生する。LLは、φVC
及びφSBを受けて、スイッチ制御信号φ1を発生する
論理回路である。すなわち、VCCの立ち上がり時に
は、VCCが所定のレベルに達し、かつ入力信号INが
特定のレベル(K1のサブスレッショルド電流を小さく
するレベル)になったことを検出してスイッチSCCを
オンし、VCCの立ち下がり時には、VCCのレベル低
下を検出してスイッチをオフする。Embodiment 3 FIG. 44 is a diagram showing a first control example of the power line switch according to the third embodiment of the present invention. K1 is, for example, as shown in FIG.
28 is a group of logic gates shown in FIGS. The power line switch SCC is controlled by the control circuit SV. This circuit includes a level detection circuit LD1 for detecting the level of the externally applied power supply VCC and a level detection circuit LD2 for detecting the level of the external input signal IN, and these circuits generate output signals φVC and φSB, respectively. . LL is φVC
And a logic circuit that receives the signal φSB and generates a switch control signal φ1. That is, at the time of rising of VCC, it is detected that VCC has reached a predetermined level and the input signal IN has reached a specific level (a level for reducing the sub-threshold current of K1), and the switch SCC is turned on. At the time of the fall, the switch is turned off by detecting a decrease in the level of VCC.
【0074】図44のLSIの動作例を図45に示す。
電源VCCが投入されると電位が上昇するが、これが例
えばVCαに達すると、LD1が動作し、この例では出
力信号φVCを低レベルから高レベルに切り替える。次
に入力信号INがK1のサブスレッショルド電流低減効
果が大きい特定の信号レベル(ここでは高レベル)にな
ると、この図の例ではそのレベルがVCβ以上になる
と、LD2の出力φSBが切り替わる。これによりφ1
が切り替わり電源スイッチがオンするので、内部電源V
C1が立ち上がる。逆にINがVCCよりも先に立ち上
がった場合は、まず、INがVCβ以上になるとLD2
の出力φSBが切り替わり、この後VCCがVCαに達
すると、LD1が動作し、φVCを低レベルから高レベ
ルに切り替える。これによりφ1が切り替わり電源スイ
ッチがオンし、内部電源VC1が立ち上がる。いずれの
場合も、INのレベルが確定した後にスイッチがオンに
なるので、大きなサブスレッショルド電流が流れること
はない。LLは、VCCがVCα以上になった後でIN
が変化しそれによってφSBが変化してもφ1は変化し
ないように構成する。内部電源VC1は外部電源VCC
が立ち下がることによって立ち下がる。なお、スイッチ
はこの図の例ではVCC側に入れてあるが、VSS側に
入れても良い。また、複数の電源が印加される場合もあ
るが、その場合はそのうちの少なくともひとつの電源に
対してレベル検知回路を設ければ良い。FIG. 45 shows an operation example of the LSI shown in FIG.
When the power supply VCC is turned on, the potential rises. When the potential reaches, for example, VCα, the LD1 operates, and in this example, the output signal φVC is switched from a low level to a high level. Next, when the input signal IN becomes a specific signal level (here, a high level) in which the sub-threshold current reduction effect of K1 is large, when the level becomes VCβ or more in the example of this figure, the output φSB of the LD2 switches. This allows φ1
Is switched and the power switch is turned on.
C1 stands up. Conversely, when IN rises before VCC, first, when IN rises above VCβ, LD2
Is switched, and thereafter, when VCC reaches VCα, LD1 operates to switch φVC from a low level to a high level. As a result, φ1 switches, the power switch is turned on, and the internal power supply VC1 rises. In any case, since the switch is turned on after the level of IN is determined, a large subthreshold current does not flow. LL becomes IN after VCC becomes VCα or more.
Is changed so that φ1 does not change even if φSB changes. Internal power supply VC1 is external power supply VCC
Falls by falling. Although the switch is placed on the VCC side in the example of this figure, it may be placed on the VSS side. In some cases, a plurality of power supplies are applied. In that case, a level detection circuit may be provided for at least one of the power supplies.
【0075】実施例4 図46は、本発明の第4の実施例である電源線スイッチ
の第2の制御例を示す図である。この実施例の特徴は、
論理ゲート群K1の入力信号レベルを確定させるための
回路LK1(ここではNORゲート)が設けられたこと
である。この回路により、電源立ち上がり時には、K1
の入力信号IN’のレベルがK1のサブスレッショルド
電流を小さくするレベル(ここでは低レベル)に固定さ
れる。図47に動作例を示す。電源VCCが投入され所
定の電位レベルVCαとなると、LD1がこれを検知
し、信号φVCをこの例では低レベルから高レベルに切
り替える。これによって、ワンショット発生回路OSH
によってφK1にワンショットパルスが発生する。この
φK1が高レベルになることにより、K1の入力信号I
N’は外部からの入力信号INのレベルにかかわらず、
低レベルになる。並行して、遅延回路DLYによってφ
VCからφVC’が発生され、スイッチSCCがオンに
なり、内部電源VC1が立ち上がりK1へ電流が供給さ
れる。すでに上述のLK1によってIN’はK1のサブ
スレッショルド電流を小さくするレベルとなっている。
こうすれば、電源投入時に内部の電位が確定せずに大電
流が流れるということは無い。VCCが立ち下がると、
これによって内部電源VC1も立ち下がる。図46で
は、レベル検知回路はVCCに対するもののみを示して
いるが、図44に示したように入力信号INに対するも
のや他の電源に対するものを設けても良い。また、スイ
ッチはこの図の例ではVCC側に入れてあるが、VSS
側に入れても良い。Embodiment 4 FIG. 46 is a diagram showing a second control example of the power line switch according to the fourth embodiment of the present invention. The features of this embodiment are:
That is, a circuit LK1 (here, NOR gate) for determining the input signal level of the logic gate group K1 is provided. With this circuit, when the power supply rises, K1
Of the input signal IN ′ is fixed to a level (here, a low level) for reducing the subthreshold current of K1. FIG. 47 shows an operation example. When the power supply VCC is turned on and reaches a predetermined potential level VCα, the LD1 detects this and switches the signal φVC from a low level to a high level in this example. Thereby, the one-shot generation circuit OSH
As a result, a one-shot pulse is generated in φK1. When φK1 goes high, the input signal I of K1
N ′ is independent of the level of the input signal IN from the outside.
Becomes low level. In parallel, φ
VC generates φVC ′, the switch SCC is turned on, the internal power supply VC1 rises, and current is supplied to K1. Already due to the above-mentioned LK1, IN 'has become a level for reducing the subthreshold current of K1.
This prevents a large current from flowing when the power is turned on without determining the internal potential. When VCC falls,
As a result, the internal power supply VC1 also falls. In FIG. 46, only the level detection circuit for VCC is shown. However, as shown in FIG. 44, a level detection circuit for input signal IN or another power supply may be provided. Although the switch is placed on the VCC side in the example of this figure, the switch is connected to the VSS.
You can put it on the side.
【0076】実施例5 図48は本発明の第5の実施例である電源線スイッチの
第3の制御例を示す図である。図44〜図47の実施例
では、電源線スイッチ制御回路SVは外部電源VCCを
入力とし、またこれを回路の電源として用い、このレベ
ルを検知する構成としていた。しかし、本実施例ではL
SIボード上に、外部電源電源VCC以外に電池を設
け、この電池からSVへ電源VCTを供給している。電
池は、例えばボード上に1個だけ設け、これを複数個の
チップで共用すれば良い。この様な構成とすると、電源
VCCを入れていない時でも、レベル検知回路が動作し
ているので、本来の電源VCCの変化を監視することが
容易にできる。各LSIチップは図44又は図46と同
様の構成とすればよい。ただし、電池からの電流で電源
線スイッチ制御回路SVを常に活性化しておき、外部電
源電源VCCの変化を監視するようにする。本構成を用
いれば、前に説明した電源投入時の過大なサブスレッシ
ョルド電流を防止することが容易にできる。なお、図4
4では常に一定電圧が得られる電池を用いたが、最初に
レベルが確定することが決まっている電源が用意されて
いればこれを電池の代わりに用いることができる。Fifth Embodiment FIG. 48 is a diagram showing a third control example of the power line switch according to the fifth embodiment of the present invention. In the embodiments shown in FIGS. 44 to 47, the power supply line switch control circuit SV receives the external power supply VCC, uses it as a power supply for the circuit, and detects this level. However, in this embodiment, L
A battery other than the external power supply VCC is provided on the SI board, and the battery supplies the power VCT to the SV. For example, only one battery is provided on the board, and this may be shared by a plurality of chips. With such a configuration, even when the power supply VCC is not turned on, the change in the original power supply VCC can be easily monitored because the level detection circuit operates. Each LSI chip may have the same configuration as that of FIG. 44 or FIG. However, the power supply line switch control circuit SV is always activated by the current from the battery, and a change in the external power supply VCC is monitored. With this configuration, it is possible to easily prevent the excessive subthreshold current at the time of power-on described above. FIG.
4, a battery that can always obtain a constant voltage is used. However, if a power source whose level is determined first is prepared, this can be used instead of the battery.
【0077】以上説明したように、本発明は、MOSト
ランジスタ回路およびそれで構成された半導体集積回路
の低消費電力化にきわめて有効である。半導体集積回路
の低消費電力化に対する要求は、最近特に強く、例えば
日経エレクトロニクス1991年9月2日号、第106
頁から第111頁には、低電力バックアップモードを有
するマイクロプロセッサシステムについて記載されてい
る。バックアップモードでは、クロックを停止させた
り、不要な部分への電源の供給を停止したりして、低消
費電力化を図っている。しかし、サブスレッショルド電
流の低減についてまでは考慮されていない。これらのプ
ロセッサシステムは3.3〜5Vで動作するために、十
分に高いしきい電圧のトランジスタが使えるので、サブ
スレッショルド電流は問題にならないほど小さい。しか
し、将来動作電圧が2Vあるいは1.5Vと低くなり、
しきい電圧も低くせざるを得なくなると、従来のCMO
S回路を使うやり方ではもはや過大なサブスレッショル
ド電流は低減できなくなる。本発明を、例えばレジュー
ム用回路(バックアップモードでも電源が供給されてい
る)に適用すれば、さらに低消費電力化が実現できる。As described above, the present invention is extremely effective in reducing the power consumption of a MOS transistor circuit and a semiconductor integrated circuit constituted by the MOS transistor circuit. The demand for lower power consumption of semiconductor integrated circuits has been particularly strong recently. For example, Nikkei Electronics, September 2, 1991, No. 106
Pages 111 to 111 describe a microprocessor system having a low power backup mode. In the backup mode, the clock is stopped or the supply of power to unnecessary parts is stopped to reduce power consumption. However, no consideration has been given to reducing the subthreshold current. The subthreshold current is small enough to be problematic because these processor systems operate at 3.3-5V and use transistors with sufficiently high threshold voltages. However, the operating voltage will be reduced to 2V or 1.5V in the future,
When the threshold voltage must be lowered, the conventional CMO
With the use of the S circuit, the excessive subthreshold current can no longer be reduced. If the present invention is applied to, for example, a resume circuit (power is supplied even in the backup mode), further reduction in power consumption can be realized.
【0078】[0078]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高速・低消費電力のMOSトランジスタ回路、およびそ
れで構成された半導体集積回路が実現できる。As described above, according to the present invention,
A high-speed and low-power-consumption MOS transistor circuit and a semiconductor integrated circuit constituted by the MOS transistor circuit can be realized.
【図1】本発明の参考例1のインバータを示す図であ
る。FIG. 1 is a diagram showing an inverter according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明によるサブスレッショルド電流低減の原
理を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of sub-threshold current reduction according to the present invention.
【図3】本発明によるサブスレッショルド電流低減効果
を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a sub-threshold current reducing effect according to the present invention.
【図4】本発明の参考例2のインバータの回路図であ
る。FIG. 4 is a circuit diagram of an inverter according to a second embodiment of the present invention.
【図5】本発明の信号のタイミングを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing signal timings of the present invention.
【図6】本発明のデバイス構造を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a device structure of the present invention.
【図7】本発明の参考例3のインバータの回路図であ
る。FIG. 7 is a circuit diagram of an inverter according to a third embodiment of the present invention.
【図8】本発明の参考例4のインバータの回路図であ
る。FIG. 8 is a circuit diagram of an inverter according to a fourth embodiment of the present invention.
【図9】本発明のデバイス構造を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a device structure of the present invention.
【図10】本発明の参考例5のインバータ列を示す図で
ある。FIG. 10 is a diagram showing an inverter array according to a fifth embodiment of the present invention.
【図11】本発明の参考例6のインバータ列を示す図で
ある。FIG. 11 is a diagram showing an inverter array according to Embodiment 6 of the present invention.
【図12】本発明の参考例7のインバータ列を示す図で
ある。FIG. 12 is a diagram showing an inverter array according to a seventh embodiment of the present invention.
【図13】本発明が適用される組合せ論理回路のグルー
プ分けの例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of grouping of combinational logic circuits to which the present invention is applied;
【図14】本発明の参考例8の組合せ論理回路を示す図
である。FIG. 14 is a diagram showing a combinational logic circuit according to Embodiment 8 of the present invention.
【図15】本発明の参考例9の組合せ論理回路を示す図
である。FIG. 15 is a diagram showing a combinational logic circuit according to Embodiment 9 of the present invention.
【図16】本発明の参考例10のラッチを示す図であ
る。FIG. 16 is a diagram showing a latch according to a tenth embodiment of the present invention.
【図17】本発明の参考例11のラッチの回路図であ
る。FIG. 17 is a circuit diagram of a latch according to Embodiment 11 of the present invention;
【図18】本発明の参考例12のインバータ列の回路図
である。FIG. 18 is a circuit diagram of an inverter array according to a twelfth embodiment of the present invention.
【図19】本発明の参考例13のインバータ列の回路図
である。FIG. 19 is a circuit diagram of an inverter array according to Embodiment 13 of the present invention.
【図20】本発明の参考例14のNANDゲートの回路
図である。FIG. 20 is a circuit diagram of a NAND gate according to Embodiment 14 of the present invention;
【図21】本発明の参考例15のNORゲートの回路図
である。FIG. 21 is a circuit diagram of a NOR gate according to Embodiment 15 of the present invention.
【図22】本発明の参考例16のクロックインバータの
回路図である。FIG. 22 is a circuit diagram of a clock inverter according to Embodiment 16 of the present invention.
【図23】本発明の参考例17の組合せ論理回路の回路
図である。FIG. 23 is a circuit diagram of a combinational logic circuit according to Embodiment 17 of the present invention;
【図24】本発明の参考例17の組合せ論理回路のレイ
アウト配置例である。FIG. 24 is a layout example of a combinational logic circuit according to Embodiment 17 of the present invention;
【図25】本発明の参考例18のラッチの回路図であ
る。FIG. 25 is a circuit diagram of a latch according to Embodiment 18 of the present invention;
【図26】本発明の参考例19の出力バッファの回路図
である。FIG. 26 is a circuit diagram of an output buffer according to Embodiment 19 of the present invention;
【図27】本発明の参考例20の入力バッファの回路図
である。FIG. 27 is a circuit diagram of an input buffer according to a twentieth embodiment of the present invention.
【図28】本発明の参考例21のNMOSダイナミック
回路の回路図である。FIG. 28 is a circuit diagram of an NMOS dynamic circuit according to Embodiment 21 of the present invention.
【図29】概念的参考例を示す図である。FIG. 29 is a diagram showing a conceptual reference example.
【図30】CMOSインバータに適用した参考例の回路
図である。FIG. 30 is a circuit diagram of a reference example applied to a CMOS inverter.
【図31】CMOSインバータに適用した参考例の動作
タイミング図である。FIG. 31 is an operation timing chart of a reference example applied to a CMOS inverter.
【図32】インバータチェインに適用した参考例を示す
図である。FIG. 32 is a diagram showing a reference example applied to an inverter chain.
【図33】インバータチェインに適用した別の参考例を
示す図である。FIG. 33 is a diagram showing another reference example applied to an inverter chain.
【図34】CMOSインバータに適用した別の参考例を
示す図である。FIG. 34 is a diagram showing another reference example applied to a CMOS inverter.
【図35】レベルホールド回路の別の構成例の回路図で
ある。FIG. 35 is a circuit diagram of another configuration example of the level hold circuit.
【図36】本発明の第1の実施例による複数の回路ブロ
ックの電源スイッチ制御例を示す図である。FIG. 36 is a diagram illustrating a power switch control example of a plurality of circuit blocks according to the first embodiment of the present invention.
【図37】図36の動作例を示す図である。FIG. 37 is a diagram showing an operation example of FIG. 36;
【図38】本発明の第2の実施例によるクロック同期式
動作での電源スイッチ制御例を示す図である。FIG. 38 is a diagram showing an example of power switch control in clock synchronous operation according to the second embodiment of the present invention.
【図39】図38の動作例を示す図である。FIG. 39 is a diagram showing an operation example of FIG. 38;
【図40】出力を固定できるラッチ回路の回路図であ
る。FIG. 40 is a circuit diagram of a latch circuit capable of fixing an output.
【図41】制御クロックの動作タイミング図である。FIG. 41 is an operation timing chart of a control clock.
【図42】出力を固定できる別なラッチ回路の回路図で
ある。FIG. 42 is a circuit diagram of another latch circuit capable of fixing an output.
【図43】制御クロックの動作タイミング図である。FIG. 43 is an operation timing chart of a control clock.
【図44】本発明の第3の実施例による電源線スイッチ
の第1の制御例を示す図である。FIG. 44 is a diagram illustrating a first control example of the power line switch according to the third embodiment of the present invention.
【図45】図44の例の動作例を示す図である。FIG. 45 is a diagram illustrating an operation example of the example in FIG. 44;
【図46】本発明の第4の実施例による電源線スイッチ
の第2の制御例を示す図である。FIG. 46 is a diagram illustrating a second control example of the power line switch according to the fourth embodiment of the present invention.
【図47】図46の例の動作例を示す図である。FIG. 47 is a diagram illustrating an operation example of the example in FIG. 46;
【図48】本発明の第5の実施例による電源線スイッチ
の第3の制御例を示す図である。FIG. 48 is a diagram illustrating a third control example of the power line switch according to the fifth embodiment of the present invention.
【図49】従来のCMOSインバータの回路図である。FIG. 49 is a circuit diagram of a conventional CMOS inverter.
【図50】MOSトランジスタのサブスレッショルド特
性を示す図である。FIG. 50 is a diagram showing a sub-threshold characteristic of a MOS transistor.
L、L1〜Lk……論理ゲート、G1〜Gk……論理ゲート
群、SC、SC1〜SCk、SS、SS1〜SSk……スイッチ、
RC、RC1〜RCk、RS、RS1〜RSk……抵抗。L, L 1 to L k ... Logic gates, G 1 to G k ... Logic gate groups, S C , S C1 to S Ck , S S , S S1 to S Sk .
R C , R C1 to R Ck , R S , R S1 to R Sk ...
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栗原 良一 神奈川県海老名市下今泉810番地 株式 会社日立製作所オフィスシステム事業部 内 (72)発明者 伊藤 清男 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 青木 正和 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 阪田 健 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 19/0948 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Ryoichi Kurihara 810 Shimo-Imaizumi, Ebina-shi, Kanagawa Prefecture Within the Office Systems Division, Hitachi, Ltd. Inside Hitachi Central Research Laboratory (72) Inventor Masakazu Aoki 1-280 Higashi Koikekubo, Kokubunji-shi, Tokyo Inside Hitachi Central Research Laboratories Co., Ltd. In-house (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H03K 19/0948
Claims (11)
路とを有し、 上記論理ゲートは上記第1ノードと第2ノードとの間に
ソース・ドレイン経路を有する第1MOSFETを具備し、 上記制御回路は制御信号を受け、上記制御信号が第1状
態のときには上記第1ノードと上記第2ノードとの間に
第1電流が流れるのを許容し、 上記制御信号が第2状態のときには上記第1ノードと上
記第2ノードとの間に流れる電流を上記第1電流の電流
値より小さい電流に制限し、上記第1動作電位点の電位
の上昇時において、上記第1動作電位点の電位が第1電
位を越えてから上記制御信号が上記第2状態から上記第
1状態に切り替わることを特徴とする半導体集積回路。1. A circuit block including a logic gate, and a control circuit connected between a first node and a first operating potential point, wherein the logic gate is connected to the first node and the second node. A first MOSFET having a source-drain path between the first and second nodes, wherein the control circuit receives a control signal, and when the control signal is in a first state, a first current flows between the first node and the second node. And when the control signal is in the second state, the current flowing between the first node and the second node is limited to a current smaller than the current value of the first current. A semiconductor integrated circuit wherein the control signal switches from the second state to the first state after the potential at the first operating potential point exceeds the first potential when the potential at the point rises.
は上記論理ゲートを駆動するのに十分大きく、かつ上記
第1動作電位点は第1電源線に接続され、上記第1動作
電位点の電圧の上昇時とは電源が投入される時であるこ
とを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路。2. The potential difference between the first potential and the second node is large enough to drive the logic gate, the first operating potential point is connected to a first power supply line, and the first operating potential is 2. The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the time when the voltage at the point rises is when the power is turned on.
1ノードと第1動作電位点との間に接続された制御回路
と、上記第1動作電位点の電位を検出する検出回路とを
有し、 上記論理ゲートは上記第1ノードと第2ノードとの間に
ソース・ドレイン経路を有する第1MOSFETを具備し、 上記制御回路は制御信号を受け、上記制御信号が第1状
態のときには上記第1ノードと上記第2ノードとの間に
第1電流が流れるのを許容し、 上記制御信号が第2状態のときには上記第1ノードと上
記第2ノードとの間に流れる電流を上記第1電流の電流
値より小さく制限し、上記第1動作電位点の電位の上昇
時において、上記検出回路により検出された上記第1動
作電位点の電位が第1電位より大きくなってから、上記
制御信号が上記第2状態から上記第1状態に切り替わる
ことを特徴とする半導体集積回路。3. A circuit block including a logic gate, a control circuit connected between a first node and a first operating potential point, and a detecting circuit for detecting the potential at the first operating potential point. Wherein the logic gate includes a first MOSFET having a source / drain path between the first node and the second node; the control circuit receives a control signal; and when the control signal is in the first state, A first current is allowed to flow between one node and the second node, and when the control signal is in the second state, a current flowing between the first node and the second node is changed to the first current. And when the potential of the first operating potential point rises and the potential of the first operating potential point detected by the detection circuit becomes higher than the first potential, the control signal is From the second state to the first The semiconductor integrated circuit, wherein the switching to state.
上記検出回路により検出された上記第1動作電位点の電
位が上記第1電位より大きくなった後に変化することを
特徴と請求項3記載の半導体集積回路。4. A first input signal received by said logic gate,
4. The semiconductor integrated circuit according to claim 3, wherein the potential of the first operating potential point detected by the detection circuit changes after the potential becomes higher than the first potential.
る端子より供給されることを特徴とする請求項3乃至請
求項4のいずれかに記載の半導体集積回路。5. The semiconductor integrated circuit according to claim 3, wherein an operation voltage of said detection circuit is supplied from a terminal connected to a battery.
と、第1ノードと第1動作電位点との間に接続された制
御回路と、上記第1動作電位点の電位を検出する検出回
路とを有し、上記論理ゲートはそれぞれ上記第1ノード
と第2ノードとの間にソース・ドレイン経路を有する第
1MOSFETを具備し、上記回路ブロック内の論理ゲートの
一つは第1入力信号を受け、 上記制御回路は制御信号を受け、上記制御信号が第1状
態のときには上記第1ノードと上記第2ノードとの間に
第1電流が流れるのを許容し、 上記制御信号が第2状態のときには上記第1ノードと上
記第2ノードとの間に流れる電流を上記第1電流より小
さい電流値をもつ第2電流に制限し、上記第1動作電位
点の電位の上昇時において、上記検出回路により検出さ
れた上記第1動作電位点の電位が第1電位より大きくな
ったことにより上記制御信号が上記第2状態から上記第
1状態に切り替わることを特徴とする半導体集積回路。6. A circuit block including a plurality of logic gates, a control circuit connected between a first node and a first operating potential point, and a detecting circuit for detecting the potential at the first operating potential point. Wherein each of the logic gates comprises a first MOSFET having a source-drain path between the first and second nodes, and one of the logic gates in the circuit block receives a first input signal. The control circuit receives a control signal, and allows the first current to flow between the first node and the second node when the control signal is in the first state; Sometimes, the current flowing between the first node and the second node is limited to a second current having a current value smaller than the first current, and when the potential at the first operating potential point rises, the detection circuit The first detected by The semiconductor integrated circuit in which the potential of the work potential point the control signal by which is greater than the first potential, characterized in that the switch to the first state from said second state.
の電位を供給する第1供給源と異なる第2供給源から供
給されること特徴とする請求項6記載の半導体集積回
路。7. The semiconductor integrated circuit according to claim 6, wherein the operation voltage of said detection circuit is supplied from a second supply source different from the first supply source for supplying a potential at a first operation potential point.
ら供給されることを特徴とする請求項7記載の半導体集
積回路。8. The semiconductor integrated circuit according to claim 7, wherein said second supply source is supplied from a terminal connected to a battery.
の間に上記第1のMOSトランジスタのソース・ドレイ
ン経路と直列接続された第2のMOSトランジスタとを
具備し、上記第1のMOSトランジスタの上記ソース・
ドレイン経路と上記第2のMOSトランジスタの上記ソ
ース・ドレイン経路との共通接続点である出力ノードか
ら出力信号を得る如く構成されたMOSトランジスタ回
路と、上記第1と第2のMOSトランジスタの少なくと
も一方に接続され、制御信号が供給される制御回路手段
と、上記MOSトランジスタ回路に供給される動作電圧の
変化を検出する検出手段とを有し、 該制御回路手段は供給される上記制御信号を第1の状態
に設定することにより、上記一方のトランジスタの上記
ソースに比較的大きな電流が流れることを許容せしめ、
上記制御回路手段に供給される上記制御信号を上記第1
の状態と異なる第2の状態に設定することにより、上記
一方のトランジスタの上記ソースに流れる電流を上記比
較的大きな電流より小さな値に制限し、上記検出手段は
動作電圧が第1値を越えたことに応答して、上記制御信
号を上記第2の状態から第1の状態に変化させることを
特徴とする半導体集積回路。9. A first MOS transistor having a source / drain path connected in series with a source / drain path of the first MOS transistor between a first potential point and a second potential point. A MOS transistor, wherein the source of the first MOS transistor is
A MOS transistor circuit configured to obtain an output signal from an output node that is a common connection point between a drain path and the source / drain path of the second MOS transistor; and at least one of the first and second MOS transistors And control circuit means to which a control signal is supplied, and detection means to detect a change in an operating voltage supplied to the MOS transistor circuit. Setting to the state of 1 allows a relatively large current to flow through the source of the one transistor,
The control signal supplied to the control circuit means is transmitted to the first
By setting the second state different from the state described above, the current flowing to the source of the one transistor is limited to a value smaller than the relatively large current, and the detecting means determines that the operating voltage has exceeded the first value. A semiconductor integrated circuit that changes the control signal from the second state to the first state in response to the control signal.
加されていることを特徴とする請求項9記載の半導体集
積回路。10. The semiconductor integrated circuit according to claim 9, wherein a power supply voltage is applied to said detecting means from a battery.
数有り、該電池はこれらで共有され該複数の半導体集積
回路の該手段に電源電圧を印加していることを特徴とす
る半導体集積回路。11. A semiconductor integrated circuit comprising a plurality of semiconductor integrated circuits according to claim 10, wherein said battery is shared by said plurality of semiconductor integrated circuits and a power supply voltage is applied to said means of said plurality of semiconductor integrated circuits. .
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