JP3067139B2 - Bi―CMOS回路 - Google Patents

Bi―CMOS回路

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JP3067139B2
JP3067139B2 JP1281317A JP28131789A JP3067139B2 JP 3067139 B2 JP3067139 B2 JP 3067139B2 JP 1281317 A JP1281317 A JP 1281317A JP 28131789 A JP28131789 A JP 28131789A JP 3067139 B2 JP3067139 B2 JP 3067139B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、バイポーラ素子とCMOS素子とを組み合わせ
たBi−CMOS回路に関し、 配線負荷容量にたまったチャージの引き抜きを速くし
て、出力波形のなまりを小さく抑えて、“L"レベルの論
理の伝達を速くすることを目的とし、 第1の電源(VCC)と第2の電源(GND)との間に縦列
接続された第1のバイポーラトランジスタ(Q1)及び第
2のバイポーラトランジスタ(Q2)と、 該第1のバイポーラトランジスタ(Q1)のエミッタと
該第2のバイポーラトランジスタ(Q2)のコレクタとの
間に接続された出力と、 該第1のバイポーラトランジスタ(Q1)及び該第2の
バイポーラトランジスタ(Q2)のベース・エミッタ間に
それぞれ接続された負荷(R1,R2)と、 ゲートが入力に接続され、該第1のバイポーラトラン
ジスタ(Q1)及び該第2のバイポーラトランジスタ(Q
2)のベース・コレクタ間にそれぞれ接続された互いに
相補型の第1・第2のMOSFET(MP1,MN1)と、 ゲートが該入力に接続され、該第1のバイポーラトラ
ンジスタ(Q1)と該第2の電源(GND)との間に接続さ
れ、該第2のMOSFET(MN1)がオンする時にオンする第
3のMOSFET(MN2)とを有することを特徴とするBi−CMO
S回路によって構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、バイポーラ素子とCMOS素子とを組み合わせ
たBi−CMOS回路に関する。
〔従来の技術〕
第5図を用いて従来のBi−CMOS回路の動作を説明す
る。
従来、第5図のようにCMOSインバータに、バイポーラ
トランジスタを組み合わせたBi−CMOS回路がある。この
回路はバイポーラの高速動作とCMOSの低消費電力との利
点を合わせ持ったものである。
図中MP1はP型MOSFETであり、MN1はN型MOSFETであ
り、Q1、Q2はバイポーラトランジスタであり、R1、R2は
抵抗であり、CLは配線負荷容量である。
この回路の構成は、電源VCCとアースGNDとの間に縦列
接続された2つのバイポーラトランジスタQ1,Q2の中間
を出力(OUT)に接続し、ゲートを入力(In)に接続し
た2つのMOSFET(MP1,MN1)をそれぞれトランジスタQ1
のベース・コレクタ間,トランジスタQ2のベース・コレ
クタ間に接続し、トランジスタQ1,Q2のそれぞれのベー
ス・エミッタ間に抵抗R1,R2を接続したものである。そ
して、出力(OUT)は寄生容量である配線負荷容量CLを
介してアースに接続する。なお、抵抗R1,R2は、トラン
ジスタQ1,Q2のベース・エミッタ間に電位差を生じさせ
るための負荷であり、抵抗の他にダイオードでもよい。
この回路の動作は、入力が“L"レベル(ほぼGNDレベ
ル)から“H"(ほぼ電源電圧VCCレベル)に変化する
と、MP1がオン(ON)からオフ(OFF)に、MN1がOFFから
ONに変化する。MN1がONするので、Q2もONして配線負荷
容量CLとQ1,抵抗R1及びMP1の寄生容量とにチャージされ
ていた電荷が放電され、出力が“H"から“L"に変化す
る。
この時の変化は、出力電圧が“H"から“L"になる際、
ONしたMN1を通ってQ2のベースへ電流が供給され、ベー
ス・エミッタ間電圧が約0.8V以上になるとQ2がONし、Q2
のドライブ能力で寄生容量にたまったチャージを引き抜
き、急峻に出力電圧を下げる。
しかし、出力電圧が下がってくると、Q2のベースへ供
給される電流も少なくなり、Q2のベース・エミッタ間電
圧が約0.8V以下になってQ2がOFFし、Q2によって寄生容
量にたまったチャージを引き抜くことができなくなる。
そして、残りの配線負荷容量CLとQ1,抵抗R1及びMP1の
寄生容量とにチャージされた電荷がなくなるまでは、抵
抗R2を通って緩やかに下がっていき、最終的には、ほぼ
GNDレベルになる。
〔発明が解決しようとする課題〕
第4図を用いて従来の回路動作の問題点を説明する。
第4図中の曲線1は、第5図のBi−CMOS回路をシュミ
レーションした時の出力波形を示す図である。
曲線1に示したように、曲線1の出力波形のb2の期間
では、Q2をONさせるのに十分な電流が流れなくなり初
め、Q2のベース・エミッタ間の電位差がなくなって、最
後にはQ2がOFFするので、配線負荷容量CLとQ1,抵抗R1及
びMP1の寄生容量とにチャージされた電荷は、Q2を介し
てGNDに流れることはできなくなり、MN1,抵抗R2を介し
てしかGNDに流れることができなくなる。
従って、負荷駆動能力の大きいQ2の経路が断たれるの
で、配線負荷容量CLとQ1,抵抗R1及びMP1の寄生容量とに
チャージされた残りの電荷の引き抜きが遅くなり、曲線
1のb2で示した期間の出力波形になまりが生じ、立ち下
がりが遅くなってしまう。
このため、第5図のような回路を幾つか接続して回路
を構成して高速動作をさせた場合、出力波形の立ち下が
りがなまるので、次段での“L"の認識が遅れ、誤作動を
起こしてしまうという問題を生じていた。
従って本発明は、配線負荷容量にたまったチャージの
引き抜きを速くして、出力波形のなまりを小さく抑え
て、“L"レベルの論理の伝達を速くすることを目的とす
る。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、第1の電源と第2の電源
との間に縦列接続された第1のバイポーラトランジスタ
及び第2のバイポーラトランジスタと、前記第1のバイ
ポーラトランジスタのエミッタと前記第2のバイポーラ
トランジスタのコレクタとの間に接続された出力と、前
記第1のバイポーラトランジスタのベース・エミッタ間
に接続された第1の負荷と、ゲートが入力に接続される
とともに前記第1のバイポーラトランジスタのベース・
コレクタ間に接続された第1のMOSトランジスタと、前
記第2のバイポーラトランジスタのベース・エミッタ間
に接続された第2の負荷と、ゲートが前記入力に接続さ
れるとともに前記第2のバイポーラトランジスタのベー
ス・コレクタ間に接続された第2のMOSトランジスタ
と、前記第1のバイポーラトランジスタのベースと前記
第2の電源との間に接続された第3のMOSトランジスタ
とを備え、前記第3のMOSトランジスタは、前記第2のM
OSトランジスタがオンするときにオンすることを特徴と
するBi−CMOS回路によって構成する。
〔作用〕
本発明では、第1のトランジスタ(Q1)のベースとGN
Dとの間に第3のMOSFET(MN2)を設けているので、第2
のトランジスタ(Q2)がOFFしても、第3のMOSFET(MN
2)がONなので、第1のMOSFET(MN1)→抵抗R2という経
路で配線負荷容量CLとQ1,抵抗R1及びMP1の寄生容量とを
引き抜く他に、これらの容量をMN2を介してGNDに引き抜
くことができる。
従って、出力が“H"から“L"に立ち下がる時に、非常
に速く立ち下げることができる。
〔実施例〕
第1図を用いて本発明の一実施例の回路の動作を説明
する。
図中MP1はP型MOSFETであり、MN1,MN2はN型MOSFETで
あり、Q1、Q2はバイポーラトランジスタであり、R1、R2
は抵抗であり、CLは配線負荷容量である。
図に示したように、第1図の回路の構成は、第5図の
従来のBi−CMOS回路の第1のトランジスタQ1のベースと
GNDとの間に、ゲートが入力(In)に接続されたMOSFET
(MN2)を接続したものである。
この回路の動作は、入力が“L"から“H"に変化する
と、MP1,Q1がONからOFFに変化し、MN1,MN2がOFFからON
に変化する。MN1がONするので、Q2もONして配線負荷容
量CL,MP1,R1,及びQ1にたまった寄生容量がMN1より放電
され、出力が“H"から“L"へ変化する。
この時、MN1より放電された電荷が電流となり、Q2をO
Nさせて“L"へ変化させるスピードを速める。
そして、出力電圧が下がっていくと、Q2のベース・エ
ミッタ間を流れる電流が減少し、VBEが約0.8V以下に下
がるとQ2がOFFし、MN1→抵抗R2という経路と、MN2とい
う2つの経路で、配線負荷容量CLとQ1,抵抗R1及びMP1の
寄生容量とに残っているチャージがGND側に引き抜か
れ、出力は急峻にほぼGNDレベルになる。
なお、第1図の実施例では、Q1のベースとGNDとの間
に、ゲートが入力(In)に接続されたMN2を接続した
が、この他に、第2図に示すように、Q1のベースとGND
との間に、ゲートがMN1のGND側に接続されたMN2を用い
ても、入力が“L"から“H"に変化して、MN1がONするこ
とにより、抵抗R2でQ2をONさせるだけベース・エミッタ
間電圧が上昇するためMN2もONし、第1図に示した回路
の実施例と同様な効果が得られる。
また、第3図のように、従来の入力IN1の他に第2の
入力(IN2)を設け、ゲートが第2の入力IN2に接続さ
れ、MP1と並列接続されたMOSFET(MP2)と、ゲートが第
2の入力IN2に接続され、MN1と抵抗R2との間に接続され
たMOSFET(MN3)とを設ければ、2入力のNAND回路にお
いて、出力の立ち下がり時の配線負荷容量と前記寄生容
量の引き抜きを、第1図及び第2図の回路の一実施例と
同様に速くできる。同様にして、2入力以上の多入力の
場合においても、同様の構成で実現できることは言うま
でもない。
なお、第3図において、MN2のゲート入力は、入力In1
及びIn2の両方が“H"になった時にだけONしなければな
らないので、第3図のように、MN3のGND側に接続する必
要がある。これは、2入力以上の多入力の場合について
も同様である。
続いて、第4図の曲線2を用いて第1図及び第2図に
示した一実施例の回路をシュミレーションした時の出力
波形を説明する。
図に示したb1の期間は、Q2による寄生容量の引き抜き
が弱くなっても、MN1→抵抗R2という経路と、MN2という
2つの経路で、配線負荷容量CLとQ1,抵抗R1及びMP1の寄
生容量とに残っているチャージが引き抜かれるので、b1
の期間の出力波形には、ほとんどなまりは生じず、素早
く立ち下がる。
そして、本実施例の出力波形の変化を示す曲線2がa
点のレベルからc1点のレベルまで立ち下がるのに要する
時間b1は、従来の出力波形の変化を示す曲線1がa点の
レベルからc1と同一レベルであるc2点のレベルまで立ち
下がるのに要する時間b2よりも、はるかに短いことは、
第4図より明らかである。
以上のように、第1図及び第2図に示した一実施例の
回路図では、Q2のOFF後のチャージをMN1→抵抗R2という
経路と、MN2という2つの経路で引き抜くので、第4図
のように、従来1.0ナノ秒程度あったなまりが、0.3ナノ
秒程度と非常に短くなり、立ち下がり時の出力波形はほ
とんどなまらなくなる。
従って、本実施例で説明したような回路を幾つか接続
した場合、次段での“L"レベルの認識が速くなり、“L"
レベルの伝達速度を速くすることができる。
〔効果〕 以上説明したように本発明によれば、配線負荷容量及
び回路中の寄生容量のチャージの引き抜きにおいて、過
渡期の終わりのバイポーラトランジスタのOFFした後の
引き抜きをを、2つの経路により行っているので、出力
波形になまりが生じることがなくなり、次段の回路での
“L"レベルの認識が速くでき、“L"レベルの伝達が速く
なるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例を示す回路図であり、 第2図は、本発明の一実施例を示す回路図であり、 第3図は、本発明の一実施例を示す回路図であり、 第4図は、本発明及び従来の回路の出力波形図であり、 第5図は、従来例を示す回路図である。 Q1,Q2……バイポーラトランジスタ MP1,MP2,MN1,MN2,MN3……MOSFET R1,R2……抵抗 CL……負荷容量
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−68021(JP,A) 特開 平1−125021(JP,A) 特開 昭63−19915(JP,A) 特開 昭60−200615(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/06 H03K 19/08

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の電源と第2の電源との間に縦列接続
    された第1のバイポーラトランジスタ及び第2のバイポ
    ーラトランジスタと、 前記第1のバイポーラトランジスタのエミッタと前記第
    2のバイポーラトランジスタのコレクタとの間に接続さ
    れた出力と、 前記第1のバイポーラトランジスタのベース・エミッタ
    間に接続された第1の負荷と、 ゲートが入力に接続されるとともに、前記第1のバイポ
    ーラトランジスタのベース・コレクタ間に接続された第
    1のMOSトランジスタと、 前記第2のバイポーラトランジスタのベース・エミッタ
    間に接続された第2の負荷と、 ゲートが前記入力に接続されるとともに、前記第2のバ
    イポーラトランジスタのベース・コレクタ間に接続され
    た第2のMOSトランジスタと、 前記第1のバイポーラトランジスタのベースと前記第2
    の電源との間に接続された第3のMOSトランジスタと を備え、 前記第3のMOSトランジスタは、前記第2のMOSトランジ
    スタがオンするときにオンすること を特徴とするBi−CMOS回路。
  2. 【請求項2】前記第3のMOSトランジスタのゲートは、
    前記入力に接続されていることを特徴とする請求項1に
    記載のBi−CMOS回路。
  3. 【請求項3】前記第3のMOSトランジスタのゲートは、
    前記第2のバイポーラトランジスタのベースに接続され
    ていること を特徴とする請求項1に記載のBi−CMOS回路。
  4. 【請求項4】前記第1の電源と前記第1のバイポーラト
    ランジスタのベースとの間に第4のMOSトランジスタが
    接続され、 前記第2のMOSトランジスタと前記第2の負荷との間に
    第5のMOSトランジスタが接続されていること を特徴とする請求項1、請求項2又は請求項3に記載の
    Bi−CMOS回路。
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