JP3071605B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents

半導体記憶装置

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JP3071605B2 JP5096359A JP9635993A JP3071605B2 JP 3071605 B2 JP3071605 B2 JP 3071605B2 JP 5096359 A JP5096359 A JP 5096359A JP 9635993 A JP9635993 A JP 9635993A JP 3071605 B2 JP3071605 B2 JP 3071605B2
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    • G11C7/22Read-write [R-W] timing or clocking circuits; Read-write [R-W] control signal generators or management 

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  • Static Random-Access Memory (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関するもの
で、低消費電力、小面積化を実現する半導体記憶装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】従来のこの種の半導体メモリ装置、つま
り入出力にラッチもしくはレジスタ回路を内蔵した同期
式のメモリ装置を説明する。また、この例では入出力を
ECLレベル、内蔵回路としてレジスタ回路を入出力に
用いた。
【0003】第1の従来例を図3を用いて説明する。入
力信号I1〜8のECLレベルを入力とするバイポーラ
トランジスタ(バイポーラTr)から成るECLレジス
タ回路ER1に入る。ER1の出力はメモリ回路RAM
に入る。RAMからの出力は出力用のECLレジスタ回
路ER2に入り出力バッファOUTを介して出力され
る。レジスタを制御する信号CLKは駆動バッファEB
により内部信号CLKEとして回路全体に供給される。
回路動作は、入力クロック信号CLKの信号エッジによ
り入力データをER1から内部に取り込み、同時に読み
出されたデータをER2に取り込む。そして次のクロッ
クにてデータを出力する。RAM回路を全てECL回路
にて構成する以外に、このRAM内部にレベル変換回路
を配置しCMOSレベルにて構成する方法もある。ま
た、一般的にECL構成のレジスタ回路はカレントスイ
ッチを2段使用したラッチ回路を2ゲート用いて実現さ
れている。
【0004】第2の従来例を図4を用いて説明する。こ
の例では入力信号I1〜8はレベル変換回路LC1によ
りECLからCMOSレベルに変わりMOSレベルのレ
ジスタ回路MR1にそれぞれ入力され、その出力がRA
Mに入る。RAMからの出力データは同じくCMOSレ
ベルのレジスタ回路MR2に入り、その出力はレベル変
換回路LC2を通って出力される。クロック信号もレベ
ル変換回路LC3にてCMOSレベルCLKMに変換さ
れた後、回路全体のレジスタに分配される。回路動作は
レベル変換されたCMOSレベルにて内部動作するが第
1の従来例と同様である。入出力のインターフェイス部
分にレベル変換回路を配置したこの例では、その内部回
路は全てCMOSレベルにて実現できる。CMOS構成
のレジスタ回路はCMOSインバータを用いたフリップ
フロップを2ゲート用いて実現される(特開昭61−2
27285)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この従来の半導体メモ
リ装置では次のような問題点があった。第1の従来例で
は多数存在するECLレジスタ回路がバイポーラTrに
よる回路にて構成されている。そのため大きなDC消費
電流を必要とし全体パワーの1/2〜1/3近くにな
る。さらにレイアウトパターン上の面積もCMOS回路
に比べると集積化しにくく全体チップを増大させる原因
となっている。
【0006】第2の従来例ではレジスタ回路をCMOS
回路にて構成しているため貫通電流がなく、集積化が容
易に進み上記問題は克服している。しかし、CMOSレ
ベルにて内部クロック信号の引き回し、分配を行ってい
るため各入力レジスタに到達するクロック信号間で速度
差、つまりスキューが生じ入力信号のセットアップ、ホ
ールド特性を悪化させてしまう問題がある。さらにクロ
ック入力から出力レジスタのデータが出力するまでの時
間、つまりクロックアクセス時間が遅れてしまう問題が
ある。これは信号伝達パスに2段のレベル変換回路を介
し、さらに大振幅のCMOSレベルにより生じる配線遅
延が存在するためである。
【0007】これらの問題はメモリ容量の増大により、
より顕著になってくるものであり、低消費電力および小
面積化を優れた特性を維持しつつ実現させるための大き
な障害となっている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題点を
解決するために入力レジスタ回路としてCMOS論理レ
ベルの回路を、出力レジスタ回路としてECL論理レベ
ルの回路を使用する。そして、これらを制御するクロッ
ク信号はECLレベル信号にて装置内部に分配し、出力
レジスタには直接入力する。入力レジスタには複数個の
レジスタに対しレベル変換回路をレジスタ入力直前に設
け、CMOSレベルに変換後レジスタ回路に供給するよ
うにした。
【0009】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。
【0010】本発明の第1の実施例である同期式半導体
メモリ回路の回路構成図を図1に示す。この例では入力
レベルをECLレベルとし、8本の入力信号I1〜8、
2本の出力信号O1〜2、クロック信号CLKを持った
入出力レジスタ回路つきの同期式メモリとしている。I
1〜8はレベル変換回路LC1を通りCMOSレベルに
変換され、CMOS回路により形成される入力レジスタ
MRに入る。MRの出力は内部のメモリ回路領域RAM
に入り、その出力がECL回路により形成される出力レ
ジスタERに入る。そしてERの出力が出力バッファO
UTを通ってO1、2に出力される。レジスタ回路を制
御するCLK入力は駆動バッファEB1により、ECL
レベルのまま内部クロック信号CLKE1としてERに
は直接伝達される。またMRに対しては、レジスタ回路
入力直前までCLKE1にて伝達された後、レベル変換
回路LC11,12にてCMOSレベルに変換されMR
に入力される。ここでのレベル変換回路は各入力レジス
タにそれぞれ設ける必要はなく1回路にて複数個のレジ
スタに供給するようにしている。
【0011】次に、動作について説明する。同期式回路
動作の基本的な動きは従来回路にて説明した通りで変わ
りはない。しかし、各レジスタを制御するCLKE1
は、回路全域に分散するレジスタ回路に信号を伝える
為、配線長が長くなる。この配線遅延時間が回路数の多
い入力レジスタ間での信号到達時間差(スキュー)にな
り、早いレジスタで入力信号のセットアップ時間tSが
決定し、遅いレジスタでホールド時間tHが決まること
になる。このCLKE1を低振幅のECLレベルにて駆
動することで配線遅延を従来のECLレジスタ回路並に
抑えることができ、かつ入力レジスタとしてCMOS回
路が使用できるため消費電流、面積の縮小が図れる。も
ちろん入力信号のタイミング特性tS+tHは内部スキ
ューのみではなくレジスタ回路自身の特性にも影響され
るが、近年のMOSトランジスタの高性能化でCMOS
回路構成でもECL回路並(約1〜1.3倍程度)の特
性が得られるようになってきている。また、クロック信
号のレベル変換回路が複数個存在することに関しては、
レイアウト上近接する複数個の入力レジスタのグループ
に対して1個づつ設けるため、全体として数個でありパ
ワー、面積のではほぼ無視できる程度である。
【0012】出力レジスタについては、第1の従来例と
同じ回路構成であり、このECLレジスタ並のクロック
アクセス時間を実現できることは明確である。出力レジ
スタをECL回路にした為の電流量増加の影響はさほど
大きくない。一般的に入力信号数は出力信号数に対し3
〜10倍以上多いため、入力レジスタおよび入力バッフ
ァ系の消費電流量が全体回路のパワーに大きく影響する
ことになる。また、RAMブロックの出力がECLレベ
ルである点は、メモリセルからの読みだし信号は通常数
10〜数100mVであり、これをセンスアンプにて増
幅して読みだしている。したがって、低振幅のECLレ
ベルに調整し出力することは容易である。
【0013】本発明の第2の実施例を図2を用いて説明
する。図は半導体メモリ回路の入力レジスタおよびその
制御信号ブロック系、つまり第1の実施例の図1のMR
Eのブロックを示している。本実施例の他の領域は実施
例1と同一である。CLK入力信号は駆動バッファEB
2にて同相と逆相の差動信号CLKE2として回路全体
に分配される。この信号対は入力レジスタの直前に位置
するECLバッファ回路EB21,22を通り、レベル
変換回路LC11,12を通って入力レジスタに伝えら
れる。また、入力レジスタの構成、効果は第1の実施例
と変わらない。
【0014】次に、動作について説明する。内部クロッ
ク信号の伝達方法をECLレベルの差動信号にした為、
さらにこの信号が直接レベル変換回路に入らずECLバ
ッファにて増幅されてから入る為、第1の実施例より更
に信号振幅を小さくすることができる。第1の実施例で
は約0.5〜1Vの振幅が必要であるが、本実施例では
約0.2Vまで小さくすることが可能となる。これによ
り入力信号のtS+tH特性は更に改善されるはずであ
る。また、回路パスのゲート段数は増加するが、低振幅
化により配線長の配線遅延時間の減少および駆動回路の
スイッチング時間の短縮が可能となりレジスタまでの速
度は高速化することが期待できる。
【0015】次に具体的特性例を0.6μmクラスのB
i−CMOS設計ルールによるデータを用いて説明す
る。図5に入力バッファおよび入力レジスタ回路領域の
回路面積に対する消費電流の特性を示す。これは256
K〜1Mクラスの入出力レジスタ回路を有した同期式の
メモリ回路を想定したデータであり、第1の従来例およ
び本発明の値を示している。図から本発明は従来例に比
べ、面積にして約1/2に、電流にして約1/3に削減
されていることがわかる。電流削減はレジスタ回路にて
DC貫通電流がほとんどゼロになったためである。回路
全体を考えてみてもDC電流は約1/2になり大きな効
果を示している。
【0016】図6に内部クロック信号の配線長に対する
遅延時間およびスキューの特性を示す。どちらも入力レ
ジスタ回路への入力の時点での時間を示しており、メモ
リ回路の構成は図5と同様である。第2の従来例に比べ
遅延時間は10〜20%高速化しており、スキューに関
しては約1/3の0.1ns前後になりECL回路並に
ほとんど無視できる値まで改善されている。
【0017】
【発明の効果】以上説明してきた通り、本発明は入力レ
ジスタ(ラッチ)回路をCMOSレベルにて、また出力
レジスタ(ラッチ)回路をECLレベルにて構成し、制
御用内部クロック信号をECLの低振幅レベルにて駆
動、分配し出力レジスタには直接、入力レジスタには直
前にてCMOSレベルに変換するようにした。この為消
費電流を1/2〜1/3に、レジスタ面積を約1/2に
削減しながらECLレジスタ並のクロックスキュー特
性、クロックアクセス特性を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す回路ブロック構成
図。
【図2】本発明の第2の実施例を示す回路ブロック構成
図。
【図3】第1の従来例を示す回路ブロック構成図。
【図4】第2の従来例を示す回路ブロック構成図。
【図5】本発明および従来例の入力バッファ、レジスタ
回路領域の面積に対する消費電流量。
【図6】本発明および従来例の内部クロック配線長に対
する入力レジスタまでのクロック遅延時間、スキュー
量。
【符号の説明】
I1〜8 入力信号 O1〜2 出力信号 CLK クロック入力信号 CLKE ECLレベルの内部クロック信号 CLKM CMOSレベルの内部クロック信号 LC1〜12 レベル変換回路 MR CMOSレベルのレジスタ回路 ER ECLレベルのレジスタ回路 EB〜EB2 ECLバッファ OUT 出力バッファ RAM 内部メモリブロック MRB 入力レジスタブロック
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−205692(JP,A) 特開 昭61−227285(JP,A) 電子情報通信学会技術研究報告,Vo l.91,no.100,1991,P.131− 136(SDM91)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体メモリ集積回路素子ブロックと、
    入力信号をECL(エミッタ・カップルド・ロジック)
    論理レベルからCMOS論理レベルにレベル変換する
    数の入力レベル変換回路と、前記変換後のCMOS論理
    レベルの信号をラッチしその出力を前記半導体メモリ集
    積回路素子ブロックに入力する複数の入力ラッチ回路
    、前記半導体メモリ集積回路素子ブロックのECL論
    理レベル出力信号をラッチする出力ラッチ回路と、EC
    L論理レベルのクロック信号をCMOS論理レベルに変
    して前記複数の入力ラッチ回路に供給するクロックレ
    ベル変換回路とを有し、前記クロックレベル変換回路は
    前記複数の入力ラッチ回路に対して、前記クロックレベ
    ル変換回路と複数の前記入力ラッチ回路との間での配線
    遅延差が抑えられるような近傍に設けられていることを
    特徴とする半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の半導体記憶装置におい
    て、クロックレベル変換回路の入力側の近傍にECLバ
    ッファを設け、このECLバッファにはECL論理の差
    動電圧信号にてクロック信号を伝えるようにしたことを
    特徴とする半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】 前記入力ラッチ回路と前記出力ラッチ回
    路のどちらか、もしくは両方をレジスタ回路にしたこと
    を特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
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