專利名稱：反相器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生成時鐘信號等的反相器電路。
背景技術(shù)：
安裝在以便攜式設(shè)備為代表的被電池驅(qū)動的設(shè)備中的LSI (Large Scale Integration:大規(guī)模集成電路)被要求低耗電化。LSI所消耗的功率的20% 45%是作 為時鐘信號的電容的充放電的功率而被消耗的，所以為了減少LSI的耗電，降低該充 放電的功率是比較有效的。
時鐘信號的充放電的功率是與電源電壓的平方值成比例的，所以為了降低時鐘信 號的轉(zhuǎn)變(switching)所消耗的功率，提出有減小時鐘信號的振幅的方案。
專利文獻1公開了降低CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor:互補 型金屬氧化物半導(dǎo)體)反相器門電路(inverter gate)的輸出信號的振幅電平的方法。 如圖1所示，在P溝道MOS晶體管1與輸出信號線12之間、以及N溝道MOS晶體 管2與輸出信號線12之間，分別插入二極管13、 14，由此將輸出信號線12的電位調(diào) 整為低振幅。
〔專利文獻l)日本特開平5 — 198755號公報(參照圖l)

發(fā)明內(nèi)容
(發(fā)明所要解決的課題)
在上述電路中，輸出信號的振幅電平取決于二極管的正向電壓Vf。 二極管的正向 電壓Vf是由PN結(jié)的功函數(shù)差(Work function difference)決定的，所以很難將振幅 電平調(diào)整為任意的電位。另外，當(dāng)電源電壓為低電壓時，例如低于1.8V左右時，生 成比該電壓更低的電壓也是很困難的。
本發(fā)明是鑒于這樣的狀況而設(shè)計的，其目的之一在于提供一種能靈活地設(shè)定輸出 信號的振幅電平的反相器電路。(用于解決課題的手段〕 本發(fā)明一個方案的反相器電路包括并聯(lián)地接收輸入信號的N溝道型的第l開關(guān) 和P溝道型的第2開關(guān)；檢測電路，檢測從第1開關(guān)與第2開關(guān)的連接點得到的輸出 信號的電位；輸入開關(guān)，接收檢測電路的輸出，控制是否對第1開關(guān)或第2開關(guān)的任 一者輸入輸入信號。檢測電路進行控制，使得在輸出信號的電位超過預(yù)定的閾值電壓 時將輸入開關(guān)截止。
(發(fā)明效果〕
通過本發(fā)明，能夠靈活地設(shè)定輸出信號的振幅電平。


圖1是表示以往技術(shù)的反相器電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。 圖2是表示實施方式1的反相器電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。 圖3是表示實施方式2的反相器電路的結(jié)構(gòu)的電路圖。 圖4是用于說明實施方式2的反相器電路的動作的時序圖。 (標(biāo)號說明)
Ml第1開關(guān)、M2第2開關(guān)、M3輸入開關(guān)、M4第1補償開關(guān)、M5第2補 償開關(guān)、M6第1檢測開關(guān)、M7第1負(fù)載開關(guān)、M8第2檢測開關(guān)、M9第2負(fù)載 開關(guān)、10輸入端子、20輸出端子、30輸出電位檢測反相器、100反相器電路、110 反相器電路。
具體實施例方式
首先，在詳細(xì)說明本發(fā)明之前，先說明有代表性的實施方式。 本發(fā)明一個方案的反相器電路包括并聯(lián)地接收輸入信號的N溝道型的第1開關(guān) 和P溝道型的第2開關(guān)；檢測電路，檢測從第1開關(guān)與第2開關(guān)的連接點得到的輸出 信號的電位；輸入開關(guān)，接收檢測電路的輸出，控制是否對第1開關(guān)或第2開關(guān)的任 一者輸入輸入信號。檢測電路進行控制，使得在輸出信號的電位超過預(yù)定的閾值電壓 時將輸入開關(guān)截止。"輸入開關(guān)"可以是用柵極端子接收檢測電路的輸出的N溝道型 晶體管。
根據(jù)該方案，通過設(shè)置檢測電路和輸入開關(guān)，并控制是否對第1開關(guān)或第2開關(guān)的任一者輸入輸入信號，能夠?qū)⑹固峁╇娏鞯拈_關(guān)截止的定時設(shè)定為預(yù)定的定時，其 中所述電流是用于使輸出信號的電位上升或下降的電流。由此，設(shè)計者能夠靈活地設(shè) 定輸出信號的高電平的電位。
可以還包括第l補償開關(guān)，接收檢測電路的輸出，在輸入開關(guān)截止的期間，對與 輸入開關(guān)相連的第1開關(guān)或第2開關(guān)的柵極端子提供預(yù)定的固定電位。在輸入開關(guān)截 止、對第1開關(guān)或第2開關(guān)的輸入信號被關(guān)斷的狀態(tài)下，也能使第1開關(guān)或第2開關(guān) 在應(yīng)截止的期間截止。
檢測電路可以包括將接收輸出信號的第1檢測開關(guān)和第1負(fù)載開關(guān)相連接而成的 控制用反相器，和將接收輸入信號的第2檢測開關(guān)和第2負(fù)載開關(guān)相連接而成的補償 用反相器；其中，控制用反相器和補償用反相器可以被相輔地連接起來。由此，能夠 抑制控制用反相器中的貫通電流的產(chǎn)生。
可以還包括與第1補償開關(guān)并聯(lián)連接的第2補償開關(guān)，可以由控制用反相器的輸 出或補償用反相器的輸出的至少一者控制第1補償開關(guān)和第2補償開關(guān)。
可以連接有多級本反相器電路，至少第二級以后的反相器電路被輸入被低振幅化 為低于該反相器電路的電源電壓的電壓的輸入信號。可以連接偶數(shù)級，輸出與輸入信 號同相的輸出信號。
另外，將以上結(jié)構(gòu)要件的任意組合、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)要件以及表達(dá)方式在方法、裝 置、系統(tǒng)等之間相互置換的方案，作為本發(fā)明的實施方式也是有效的。
以下，基于優(yōu)選的實施方式參照

本發(fā)明。對于各附圖中所示的相同或等 同的結(jié)構(gòu)要件、部件、處理標(biāo)注相同的標(biāo)號，并適當(dāng)省略重復(fù)的說明。另外，實施方 式只是例示，并非限定本發(fā)明，實施方式中所記述的所有特征及其組合，不一定就是 本發(fā)明的本質(zhì)特征。
圖2是表示實施方式1的反相器電路100的結(jié)構(gòu)的電路圖。
反相器電路100中作為輸入輸出端子，具有被輸入輸入信號IN的輸入端子10、 輸出輸出信號OUT的輸出端子20。下面說明輸入信號IN為全振幅時鐘，使輸出信號 OUT為低振幅時鐘的例子。假定全振幅時鐘被設(shè)計為低電平是接地電位、高電平是電 源電位Vdd，低振幅時鐘被設(shè)計為低電平是接地電位、高電平是電源電位Vdd的一半
程度的電位。即，反相器電路ioo作為低振幅時鐘發(fā)生電路來發(fā)揮作用。
反相器電路100包括第1開關(guān)Ml和第2開關(guān)M2。第1開關(guān)Ml由N溝道MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管) 構(gòu)成，第2開關(guān)M2由P溝道MOSFET構(gòu)成。第1開關(guān)Ml和第2開關(guān)M2構(gòu)成根據(jù) 輸入信號IN而相輔地導(dǎo)通截止的推挽(push-pull)電路。第1開關(guān)Ml和第2開關(guān) M2之間的輸出節(jié)點No的電位成為反相器電路100的輸出信號OUT。
第2開關(guān)M2的源極端子被施加第1固定電位(電源電位Vdd)，其柵極端子被經(jīng) 由輸入開關(guān)M3地輸入輸入信號IN。第1開關(guān)Ml的源極端子被施加第2固定電位(接 地電位)，其柵極端子被輸入輸入信號IN。第1開關(guān)Ml的漏極端子與第2開關(guān)M2 的漏極端子相連接。
輸入開關(guān)M3由N溝道MOSFET構(gòu)成。輸入開關(guān)M3的源極端子或漏極端子的一 者與輸入端子10相連接，源極端子或漏極端子的另一者與第2開關(guān)M2的柵極端子相 連接，其柵極端子接收后述的輸出電位檢測反相器30的輸出電平。輸入開關(guān)M3作為 用于控制是否將輸入信號IN輸入到第2開關(guān)M2的柵極端子的開關(guān)來發(fā)揮作用。
輸出電位檢測反相器30檢測輸出信號OUT的電平。更具體來說，檢測輸出節(jié)點 No的電位，當(dāng)超過預(yù)定的閾值電壓Vt+時，使輸出信號OUT的電平反轉(zhuǎn)。由此，該 閾值電壓V"成為邏輯閾值。作為本實施方式的前提，該閾值電壓VP被設(shè)定為第1 固定電位(電源電位Vdd)的1/2電位或比該電位略低的電位。設(shè)計者通過調(diào)整該閾 值電壓Vt*，能夠?qū)⑤敵鲂盘朞UT的高電平的電位設(shè)定為所希望的電位。
第1補償開關(guān)M4由P溝道MOSFET構(gòu)成。第1補償開關(guān)M4的源極端子被施加 第l固定電位(電源電位Vdd)，其柵極端子被輸入輸出電位檢測反相器30的輸出電 平。第1補償開關(guān)M4的漏極端子與連接第2開關(guān)M2的柵極端子和輸入開關(guān)M3的 信號線相連接。
下面說明本實施方式的反相器電路100的動作。作為初始狀態(tài)，假定輸入信號IN 是高電平，第1開關(guān)M1的柵極端子被施加高電平，輸出信號OUT是低電平。因此， 輸出電位檢測反相器30輸出使輸出信號OUT的低電平反轉(zhuǎn)后的高電平。因此，第l 補償開關(guān)M4成為截止?fàn)顟B(tài)，輸入開關(guān)M3成為導(dǎo)通狀態(tài)。由于輸入開關(guān)M3是導(dǎo)通 狀態(tài)，所以第2開關(guān)M2的柵極端子被施加輸入信號IN的高電平。
從該狀態(tài)起，當(dāng)輸入信號IN從高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綍r，第1開關(guān)M1成為截止， 第2開關(guān)M2的柵極端子被輸入低電平，第2開關(guān)M2導(dǎo)通。由此，輸出節(jié)點No的 電位開始上升。當(dāng)輸出節(jié)點No的電位上升到輸出電位檢測反相器30的上述閾值電壓
6V^時，輸出電位檢測反相器30的輸出從高電平變?yōu)榈碗娖健?br> 當(dāng)輸出電位檢測反相器30的輸出變?yōu)榈碗娖綍r，輸入開關(guān)M3截止，第l補償開 關(guān)M4導(dǎo)通。由此，第2開關(guān)M2的柵極端子與輸入端子IO相分離，被經(jīng)由第l補償 開關(guān)M4地施加第1固定電位(電源電位Vdd)。當(dāng)?shù)?開關(guān)M2的柵極端子的電位上 升到第2開關(guān)M2的閾值電壓時，第2開關(guān)M2截止。第2開關(guān)M2截止時，對輸出 節(jié)點No的充電停止，輸出信號OUT的電位的上升也停止。之后，當(dāng)輸入信號IN從 低電平變?yōu)楦唠娖綍r，第1開關(guān)M1成為導(dǎo)通，輸出節(jié)點No的電位開始下降，不久 輸出信號OUT變成低電平。當(dāng)輸出節(jié)點No的電位低于輸出電位檢測反相器30的上 述閾值電壓V"時，輸出電位檢測反相器30的輸出從低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑斎腴_關(guān) M3導(dǎo)通。
這樣，根據(jù)本實施方式，能夠通過輸出電位檢測反相器30的上述閾值電壓Vt* 的設(shè)定值來設(shè)定使輸出信號OUT的電位的上升停止的定時(timing)。于是，能夠?qū)?輸出信號OUT的高電平設(shè)定成預(yù)定的電位，能夠靈活地設(shè)定輸出信號OUT的振幅電 平。
另外，當(dāng)處于輸入信號IN從低電平向高電平轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)時，由于第1補償 開關(guān)M4的導(dǎo)通，第2開關(guān)M2截止，所以能夠避免第1開關(guān)Ml和第2開關(guān)M2都 導(dǎo)通的狀況。于是，第1開關(guān)M1和第2開關(guān)M2中不流過貫通電流，能夠降低功率 消耗。
圖3是表示實施方式2的反相器電路110的結(jié)構(gòu)的電路圖。實施方式2的反相器 電路110與實施方式1的反相器電路100相比，是設(shè)置電平移位電路40來取代輸出 電位檢測反相器30，并追加了第2補償開關(guān)M5的結(jié)構(gòu)。
電平移位電路40包括第1檢測開關(guān)M6、第1負(fù)載開關(guān)M7、第2檢測開關(guān)M8、 以及第2負(fù)載開關(guān)M9。第1檢測開關(guān)M6由N溝道MOSFET構(gòu)成，第1負(fù)載開關(guān) M7由P溝道MOSFET構(gòu)成。第1檢測開關(guān)M6的源極端子被施加第2固定電位(接 地電位)，其柵極端子被輸入輸出信號OUT。第1檢測開關(guān)M6的漏極端子與第1負(fù) 載開關(guān)M7的漏極端子相連接。第1負(fù)載開關(guān)M7的源極端子被施加第1固定電位(電 源電位Vdd)，其柵極端子被輸入第2檢測開關(guān)M8與第2負(fù)載開關(guān)M9之間的第2節(jié) 點N2的電位。該第2節(jié)點N2的電位成為由第2檢測開關(guān)M8和第2負(fù)載開關(guān)M9構(gòu) 成的補償用反相器的輸出信號。第1檢測開關(guān)M6和第1負(fù)載開關(guān)M7相當(dāng)于實施方式1中的輸出電位檢測反相 器30。第1檢測開關(guān)M6的漏極端子與第1負(fù)載開關(guān)M7的漏極端子之間的第1節(jié)點 Nl的電位成為由第1檢測開關(guān)M6和第1負(fù)載開關(guān)M7構(gòu)成的控制用反相器的輸出信 號。設(shè)定第1檢測開關(guān)M6和第1負(fù)載開關(guān)M7的驅(qū)動能力，使得該控制用反相器的 輸出信號的電平在本反相器電路110的輸出信號OUT的電位達(dá)到上述閾值電壓Vt* 時反轉(zhuǎn)。
第2檢測開關(guān)M8由N溝道MOSFET構(gòu)成，第2負(fù)載開關(guān)M9由P溝道MOSFET 構(gòu)成。第2檢測開關(guān)M8的源極端子被施加第2固定電位(接地電位)，其柵極端子被 輸入輸入信號IN。第2檢測開關(guān)M8的漏極端子與第2負(fù)載開關(guān)M9的漏極端子相連 接。第2負(fù)載開關(guān)M9的源極端子被施加第1固定電位(電源電位Vdd)，其柵極端子 被輸入第1檢測開關(guān)M6與第1負(fù)載開關(guān)M7之間的第1節(jié)點Nl的電位。設(shè)定第2 檢測開關(guān)M8和第2負(fù)載開關(guān)M9的驅(qū)動能力，使得第1節(jié)點Nl的電位和第2節(jié)點 N2的電位成為相同振幅、相反相位。
當(dāng)輸出信號OUT的振幅比輸入信號IN的振幅低時，被輸入到第1檢測開關(guān)M6 和第2檢測開關(guān)M8的柵極端子的振幅電平是不同的，所以需要將第2檢測開關(guān)M8 的驅(qū)動能力調(diào)整得比第1檢測開關(guān)M6的驅(qū)動能力小。如后所述，在輸入信號IN與 輸出信號OUT的振幅相同時，被輸入到第1檢測開關(guān)M6和第2檢測開關(guān)M8的柵極 端子的振幅電平也成為相同，所以將第2檢測開關(guān)M8和第1檢測開關(guān)M6的驅(qū)動能 力也設(shè)定成相同。使第2負(fù)載開關(guān)M9和第1負(fù)載開關(guān)M7的驅(qū)動能力與第2檢測開 關(guān)M8和第1檢測開關(guān)M6的驅(qū)動能力相對應(yīng)。
第2補償開關(guān)M5由P溝道MOSFET構(gòu)成。第2補償開關(guān)M5的源極端子被施加 第1固定電位(電源電位Vdd)，其柵極端子被輸入第2節(jié)點N2的電位。第2補償開 關(guān)M5的漏極端子與連接第1開關(guān)Ml的柵極端子和輸入開關(guān)M3的信號線相連接。 此時，第2補償開關(guān)M5的驅(qū)動能力比輸入開關(guān)M3的驅(qū)動能力小。
圖4是用于說明實施方式2的反相器電路110的動作的時序圖。作為初始狀態(tài)t0， 假定輸入信號IN是高電平，第1開關(guān)Ml的柵極端子被施加高電平。在該狀態(tài)下， 輸出信號OUT為低電平，第1節(jié)點N1的輸出為高電平，第2節(jié)點N2的輸出為低電 平。由于第2補償開關(guān)M5是導(dǎo)通狀態(tài)，所以即使輸入信號IN是低振幅時鐘信號的 高電平LH (圖4中以粗線表示)，輸入節(jié)點Ni也是電源電位Vdd電平、即滿程的高電平。
在時刻tl，輸入信號IN開始向低電平下降，第1開關(guān)M1的柵極電平超過其閾值 電壓時成為截止。另外，經(jīng)由輸入開關(guān)M3，輸入節(jié)點Ni的電位也開始從高電平向低 電平下降。結(jié)果，第2開關(guān)M2的柵極端子成為低電平，第2開關(guān)M2導(dǎo)通，所以輸 出信號OUT開始從低電平向高電平上升。在時刻t2，當(dāng)輸出信號OUT的電位達(dá)到控 制用反相器的上述閾值電壓vr^時，第1節(jié)點Nl從高電平變成低電平。另外，第2 節(jié)點N2從低電平變成高電平。之后，在根據(jù)第1節(jié)點Nl的電平，輸入開關(guān)M3截止， 并且第1補償開關(guān)M4漸漸導(dǎo)通，第2開關(guān)M2的柵極電平超過其閾值電壓時，第2 開關(guān)M2截止。由此，對輸出節(jié)點No的充電停止，輸出信號OUT的電位的上升也停 止。
另外，設(shè)計者考慮第1節(jié)點N1的電位開始從高電平向低電平下降后至輸出信號 OUT的電位的上升停止為止的延遲時間，來設(shè)定上述閾值電壓Vt即可。
在時刻t3，輸入信號IN開始從低電平向高電平上升后，第1開關(guān)M1漸漸導(dǎo)通， 輸出信號OUT開始從高電平LH向低電平下降。在時刻4，隨著第2檢測開關(guān)M8的 柵極電平變成高電平，第2節(jié)點N2開始從高電平向低電平下降。同時，第1節(jié)點N1 開始從低電平向高電平上升。之后，輸出節(jié)點No的電位全部放電后，輸出信號OUT 成為低電平。
這樣，通過實施方式2，除實施方式1的效果外，還能實現(xiàn)下述效果。在實施方 式1中，當(dāng)輸出電位檢測反相器30的輸入電平變到上述閾值電壓VP附近時，有時會 產(chǎn)生貫通電流。
關(guān)于此，在實施方式2中，除由第1檢測開關(guān)M6和第1負(fù)載開關(guān)M7構(gòu)成的控 制用反相器外，還設(shè)有由反相地進行動作的第2檢測開關(guān)M8和第2負(fù)載開關(guān)M9構(gòu) 成的補償用反相器。因此，能夠抑制用于檢測輸出信號OUT的電位的控制用反相器 中的貫通電流的產(chǎn)生。
上述實施方式是個例示，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解可對其各結(jié)構(gòu)要件和各處理過 程的組合進行各種變形，這些變形例也處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，通過調(diào)換所構(gòu)成的晶體管的P溝道、N溝道的極性，還能生成輸出信號的 高電平為電源電壓、低電平為高于接地電壓的電位的低振幅時鐘。
可以連接多級在實施方式中所說明的反相器電路100、 110。當(dāng)連接偶數(shù)級時，輸
9入信號和輸出信號的相位成為同相。當(dāng)連接多級實施方式2的反相器電路110時，第 一級的輸入信號IN成為全振幅，第二級以后的輸入信號IN成為低振幅。因此，被輸 入到第二級以后的第1檢測開關(guān)M6和第2檢測開關(guān)M8的柵極端子的振幅的高電平 是相同的，所以將第1檢測開關(guān)M6和第2檢測開關(guān)M8、以及第1負(fù)載開關(guān)M7和第 2負(fù)載開關(guān)M9的驅(qū)動能力設(shè)定成相同。通過象這樣地連接多級實施方式的反相器電 路，能夠構(gòu)成任意的緩沖器電路、電平移位電路。例如，通過任意地設(shè)定驅(qū)動能力和 級數(shù)，能夠任意地調(diào)整響應(yīng)速度和相位。
另外，在實施方式中，對于晶體管是使用了MOSFET的，但也可以使用雙極型晶 體管。此時，需要對基極提供電流。 (工業(yè)可利用性)
通過本發(fā)明，能夠靈活地設(shè)定輸出信號的振幅電平。
權(quán)利要求
1.一種反相器電路，其特征在于，包括并聯(lián)地接收輸入信號的N溝道型的第1開關(guān)和P溝道型的第2開關(guān)；檢測電路，檢測從上述第1開關(guān)與上述第2開關(guān)的連接點得到的輸出信號的電位；以及輸入開關(guān)，接收上述檢測電路的輸出，控制是否對上述第1開關(guān)或上述第2開關(guān)的任一者輸入上述輸入信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反相器電路，其特征在于還包括第l補償開關(guān)，接收上述檢測電路的輸出，在上述輸入開關(guān)截止的期間， 對與上述輸入開關(guān)相連的上述第1開關(guān)或上述第2開關(guān)的柵極端子提供預(yù)定的固定電 位。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反相器電路，其特征在于 上述檢測電路包括將接收上述輸出信號的第1檢測開關(guān)與第1負(fù)載開關(guān)相連接而成的控制用反相 器，和將接收上述輸入信號的第2檢測開關(guān)與第2負(fù)載開關(guān)相連接而成的補償用反相器；上述控制用反相器和上述補償用反相器被相輔地連接起來。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的反相器電路，其特征在于 還包括與上述第1補償開關(guān)并聯(lián)連接的第2補償開關(guān)，由上述控制用反相器的輸出或上述補償用反相器的輸出的至少一者控制上述第1 補償開關(guān)和上述第2補償開關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4的任一項所述的反相器電路，其特征在于連接有多級本反相器電路，至少第二級以后的反相器電路所被輸入的輸入信號是 被低振幅化為低于該反相器電路的電源電壓的電壓的輸入信號。
全文摘要
第1開關(guān)(M1)接收輸入信號。第2開關(guān)(M2)與第1開關(guān)(M1)并聯(lián)地接收輸入信號。輸出電位檢測反相器(30)檢測從第1開關(guān)(M1)與第2開關(guān)(M2)的連接點得到的輸出信號的電位。輸入開關(guān)(M3)接收輸出電位檢測反相器(30)，控制是否對第2開關(guān)(M2)輸入輸入信號。輸出電位檢測反相器(30)進行控制，使得在輸出信號的電位超過預(yù)定的閾值電壓時，輸入開關(guān)(M3)截止。
文檔編號H03K19/0185GK101542905SQ20088000007
公開日2009年9月23日 申請日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月30日
發(fā)明者山田光一 申請人:三洋電機株式會社