JP2706392B2 - レベルシフト回路 - Google Patents

レベルシフト回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は差動論理回路、とくに低
電力ソース結合電界効果トランジスタ論理回路(以下、
LSCFLという)などに使われているレベルシフト回
路に関する。さらに詳しくは、レベルシフト電圧を低く
し、回路全体の電源電圧の低減を図って3段以上のDC
レベルを出力できるレベルシフト回路に関する。
【0002】
【従来の技術】LSCFLは縦続ゲート技術を利用で
き、高速で、低電力消費のため、多くの回路に用いられ
ている。その従来の回路図を図3に示す。
【0003】図3において、Pは電界効果トランジスタ
(以下、FETという)Q11〜Q16からなる差動論理回
路を、3段縦続接続して形成した、差動論理回路部分で
ある。Sはレベルシフト回路部分で、この回路では差動
論理回路部分Pの出力段にそれぞれゲートが接続され、
ドレインが電源端子Vs に接続されたFET、Q17、Q
18のソースにそれぞれダイオードD11〜D13およびD14
〜D16がそれぞれ直列に接続されて定電流を発生させる
FET、Q20、Q21を介してそれぞれ接地されている。
【0004】この回路で、差動論理回路部分Pで形成さ
れた論理信号を、レベルシフト回路部分Sで負荷駆動能
力を上げるとともに、各ダイオードD11〜D16の端子に
接続した出力端子O1 〜O6 からレベルシフトした出力
信号を、後段の図示しない回路に送り、全体として論理
回路を構成している。このばあい、3段のDCレベルを
とり出すのに、ダイオードを各々2個直列に接続して、
ダイオードD11、D14の前段のA、Bから一つのレベル
をとり出そうとすることも考えられるが、A、BのDC
レベルはFET、Q17およびQ18のゲート電極とほとん
ど同じ電位となり、FETの電圧電流特性上、三極管の
立ち上がり部分に相当し、不安定な状態で、安定した働
きをさせるようなDCレベルをうるのは難しい。
【0005】また、この回路を低電源電圧で動作させる
ため、電源電圧を支配しているレベルシフト回路部分S
のシリーズ電圧を低下させる回路が文献、レベルシフト
サーキッツ フォア ガリウムヒ素 ロウ パワー ソ
ース カップルドエフイーティー ロジック(Level Shi
ft Circuits for GaAs Low Power Source Coupled FET
Logic)(ザ トランザクションズ オブ ジ アイ イ
ー アイ シーイー(The Transactions of the IEICE)
第70巻第4号、1987年4月、224 〜226 頁)に紹介され
ている。すなわち、この回路は図4に示すように、レベ
ルシフト回路部分Sを、図3のダイオードに代えてFE
T、Q31〜Q34をそのゲートとドレインを短絡して直列
に接続することにより、レベルシフト段を構成してい
る。その結果、従来はダイオードの立ち上がり部分を使
用して、1個のダイオードの両端電圧に0.7 V位が不可
欠であったのに対し、このFETを使用することにより
0.4 V位で同じ電流がえられ、全体として1.8 V、30%
の電源電圧の低下を図っている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来のこの差動論理回
路は、消費電力が大きい反面、素子特性のバラツキに強
い回路として種々の回路に利用されるが、最近の電子機
器の小型化および軽量化に伴い、これらの回路も低い電
源電圧で動作することが要求されている。この点から従
来のレベルシフト回路にダイオードを使用した回路で
は、動作速度を犠牲にしないで、ダイオードの立ち上が
り部分の電圧0.7 Vを下げることができず、ダイオード
を直列につなぐことから他の回路を低い電源電圧で動作
するように構成しても、全体として電源電圧を低くする
ことができない。
【0007】一方、レベルシフト回路のダイオードの代
りに前述のゲートとドレインを短絡したFETを使用し
た回路では、電源電圧を大幅に低下させることをできる
が、このFETの動作は3極管領域の動作を利用してい
るので、電圧と電流の関係が安定状態になっておらず、
しきい値電圧Vthや電流増幅率などの素子特性のバラツ
キにより電圧電流の関係に変動が生じる。その結果、定
電流を流してレベルシフトされた各段での出力であるレ
ベルシフト量に大きなバラツキが生じ、コントロールが
非常に難しいという問題がある。
【0008】本発明はこのような状況に鑑みなされたも
ので、安定したレベルシフト量がえられ、かつ低い電源
電圧で動作するレベルシフト回路を提供することを目的
とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によるレベルシフ
ト回路は、電源端子と接地間に接続され、参照電圧に比
べて入力電圧の高低で電流の切替をする差動論理回路の
出力段に、電界効果トランジスタのソースフォロアで接
続されて複数段のDCレベル信号を発生させるレベルシ
フト回路であって、少なくとも各々1個のダイオードと
抵抗を含む素子が直列に接続された第1の回路と、少な
くとも2個のダイオードを含む素子が直列に接続された
第2の回路とが、前記電界効果トランジスタのソースと
前記電源端子または接地間に並列に接続され、前記第1
の回路の抵抗は、動作時の電流における該抵抗の両端間
の電圧が前記ダイオードの両端間の電圧より小さくなる
ように設定されるように構成したものである。
【0010】
【作用】本発明によるレベルシフト回路によれば、ソー
スフォロアに接続するレベルシフト段に、ダイオードの
立ち上がり電圧の半分の電圧になるような抵抗を導入し
ているため、レベルシフトを構成する全体の電圧を低減
化できるとともに、ダイオードと抵抗の組み合わせで、
ダイオードの整流作用により信号とり出し用出力端子か
ら他の出力端子への回り込みを防止でき、かつ安定領域
で動作しているため、安定なDCレベルを出力する。
【0011】
【実施例】つぎに図面により本発明について説明する。
図1は本発明の一実施例であるレベルシフト回路部分S
が、最も基本的な差動論理回路部分Pに接続された回路
の回路図である。同図においてQ1 、Q2 ‥‥‥はFE
T、D1 、D2 ‥‥‥はダイオード、R1 、R2 ‥‥‥
は抵抗、I1 、I2 は入力端子、O1 、O2 ‥‥‥は出
力端子、Vs は電源端子、Vcsは定電流源のコントロー
ル用入力端子を示す。
【0012】この回路で、同じ構造の2個のFET
1 、Q2 がソース結合で対称的に接続され、定電流回路
を構成するQ5 、R5 により定電流を流すことにより、
入力端子I1 、I2 に入力された相補入力信号により電
切り替えることで論理信号が図示しない後段の回路
を駆動するソースフォロアFET、Q3 、Q4 のゲート
端子に供給される。この差動論理回路部分Pでは、温度
変化や電源変動があってもつのFETQ1 、Q2 に同
じような変動を与えるため、相殺され、かつソース電流
を安定に与えることができるので、バイアス安定性に優
れている。このため、IC演算増幅器など種々の回路の
基本回路に、この方式が用いられている。
【0013】この差動論理回路部分Pは、FETでなく
同じ構造のトランジスタ2個で構成してもよく、また従
来例で示したように、このFETなどの組を何段も縦続
接続することにより、3つ以上の信号のOR−NOR回
路を構成するようにして使用することもできる。
【0014】レベルシフト回路部分Sは、差動論理回路
部分Pのそれぞれ逆相の出力がゲートに接続され、レベ
ルシフト回路部分Sの後段の回路(図示せず)を駆動す
るFET、Q3 、Q4 のソースにレベルシフト段が接続
されて構成されている。すなわち、FET、Q3 のソー
スには、ダイオードD1 と抵抗R1 および定電流回路を
構成するFET、Q6 と抵抗R6 を直列に接続した第1
の回路100 と、ダイオードD2 、D3 および定電流回路
を構成するFET、Q7 と抵抗R7 を直列に接続した第
2の回路200 とが並列に接続されて構成されている。こ
こでR1 はここに流される定電流による電圧降下が、ダ
イオードD1 、D2 の立ち上がり電圧であるVF (約0.
7 V)の約半分となるように設定されている。FET、
4 のソースにも同様のレベルシフト回路が接続され、
位相の反転したDCレベルを出力する構成となってい
る。ここで、FET、Q5 〜Q9 はそれぞれコントロー
ル用入力端子Vcsにより定まった電流を流すための定電
流源を発生させるもので、抵抗R5 〜R9 は素子のバラ
ツキを補正する補償抵抗で、これらは定電流がえられれ
ば別の構成でもよい。
【0015】この回路で、駆動用のFET、Q3 のソー
スに並列に接続された、第1の回路100 および第2の回
路200 に定電流が流され、ダイオードD1 、D2 でダイ
オードの立ち上がり電圧であるVF の電圧降下が生じ、
抵抗R1 でさらに1/2VF の電圧降下が生じる。また
ダイオードD3 によりダイオードD2 に対してさらにV
F の電圧降下が生じる。その結果出力端子O1 、O2
3 にそれぞれ1/2VF のDCレベルの差を有する信
号が出力され、後段の回路に送られる。差動論理回路部
分Pの位相の反転したFET、Q2 からのもう一方の信
号は、同様にFET、Q4 に接続されたレベルシフト回
路で同じ1/2VF のDCレベルの差を有する信号を後
段の回路に送出する。
【0016】このレベルシフト回路では、並列に接続し
た一方の第1の回路にダイオードの立ち上がり電圧VF
の半分に相当する抵抗を使用しているため、2個のダイ
オードの直列接続分の電圧で3個のDCレベルを安定に
うることができる。
【0017】電源電圧は上昇しても、さらに多段の出力
レベルを必要とするばあいは、この抵抗R1 やダイオー
ドD3 の下に、さらにダイオードや抵抗を接続すること
により、従来のダイオードのみを多段に接続するばあい
に比べて、はるかに低い電源電圧で多段のDCレベルを
うることができる。
【0018】実施例1 図2に本発明の差動論理回路に接続されたレベルシフト
回路を応用したT形フリップフロップ回路の回路図を示
す。同図において、Pは差動論理回路部分、Sはレベル
シフト回路部分で図1と同様にFETのソースフォロア
部に1個のダイオードと1個の抵抗を直列に接続した第
1の回路100 と、2個のダイオードを直列に接続した第
2の回路200 を並列に接続してレベルシフト回路部分を
構成している。なお、この実施例では、定電流源として
の補償用抵抗を図示していない。
【0019】このレベルシフト回路の一段目のDCレベ
ルを第2の差動論理回路部分P2 に帰還させ、マスター
スレーブ型のフリップフロップを構成するものである。
なおこのレベルシフト回路部分の第2の出力段O2 、O
5 や第3の出力段O3 、O6 は異なるDCレベルの必要
な、次段のAND- NAND回路、OR- NOR回路ま
たはフリップフロップ回路への出力端子として利用す
る。
【0020】この実施例によるフリップフロップ回路
は、従来電源電圧が3.5 Vでしか動作しなかったのが2.
8 Vで動作するようになり、従来電源電圧が5Vの装置
にしか使えなかったのが、3Vのシステムに利用するこ
とができるようになった。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
素子特性のバラツキに強い差動論理回路の出力段に接続
されたFETのソースフォロアに、ダイオードと抵抗を
組み合わせた直列回路を二つ並列に接続したため、従来
のダイオードを直列に接続したレベルシフト回路より低
い電源電圧で、多段のDCレベルを安定な状態でうるこ
とができる。また、本発明によれば、一つのFETのソ
ースに並列に接続してレベルシフトしているため、ソー
スフォロアFETが共通で、DCレベルのバラツキを小
さくできる。
【0022】その結果、本発明によるレベルシフト回路
をフリップフロップ回路や乗算、加算回路などに応用で
き、低い電源電圧で動作できるため、移動体通信分野な
どの回路に有効に利用できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレベルシフト回路の一実施例を、基本
的差動論理回路に接続した回路図である。
【図2】本発明のレベルシフト回路を応用したT形フリ
ップフロップ回路を示す回路図である。
【図3】従来のレベルシフト回路の一実施例を示す回路
図である。
【図4】従来のレベルシフト回路の他の実施例を示す回
路図である。
【符号の説明】
Q 電界効果トランジスタ(FET) D ダイオード R 抵抗 VS 電源端子 P 差動論理回路部分 S レベルシフト回路部分 100 第1の回路 200 第2の回路

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電源端子と接地間に接続され、参照電圧
    に比べて入力電圧の高低で電流の切替をする差動論理回
    路の出力段に、電界効果トランジスタのソースフォロア
    で接続されて複数段のDCレベル信号を発生させるレベ
    ルシフト回路であって、少なくとも各々1個のダイオー
    ドと抵抗を含む素子が直列に接続された第1の回路と、
    少なくとも2個のダイオードを含む素子が直列に接続さ
    れた第2の回路とが、前記電界効果トランジスタのソー
    スと前記電源端子または接地間に並列に接続され、前記
    第1の回路の抵抗は、動作時の電流における該抵抗の両
    端間の電圧が前記ダイオードの両端間の電圧より小さく
    なるように設定されてなるレベルシフト回路。
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