JP3084056B2 - 半導体集積回路上の抵抗回路 - Google Patents

半導体集積回路上の抵抗回路

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、半導体集積回路に関し、特に、半導体集
積回路上で用いられる抵抗回路の抵抗体のレイアウトに
関する。
[従来の技術] 半導体集積回路中で、所定の電圧から、他の所定の電
圧を得る必要が起こる場合がある。第7図は、そのよう
な所定の電圧を得るための回路の一例であり、基準電圧
Vrefから、出力電圧Voutを得るためのものである。
第7図を参照して、この回路は、プラス端子が基準電
圧Vrefに、マイナス端子がノードN1にそれぞれ接続され
た演算増幅器(以下『オペアンプ』と略称する。)138
と、ゲートがオペアンプ138の出力に、ソースがノードN
1にそれぞれ接続されたNチャネルトランジスタ140と、
ノードN1と接地電位との間に接続され、抵抗値rを有す
る抵抗144と、Nチャネルトランジスタ140のドレインに
接続されたカレントミラー回路142と、カレントミラー
回路142と接地電位との間に接続され、抵抗値Rを有す
る抵抗146とを含む。
カレントミラー回路142は、ソースが電源電圧に、ド
レインがノードN2を介してNチャネルトランジスタ140
のドレインに、ゲートがノードN2にそれぞれ接続された
Ρチャネルトランジスタ148と、ソースが電源電圧に、
ゲートがΡチャネルトランジスタ148のゲートに、ドレ
インがノードN3を介して抵抗146にそれぞれ接続された
Ρチャネルトランジスタ150とを含む。
出力電圧Voutは、ノードN3から取出される。
第7図に示される回路は以下のように動作する。ノー
ドN1の電位は、オペアンプ138の働きによって、基準電
圧Vrefと等しくなる。したがって、抵抗144に流れる電
流iは、以下の式で表わされる。
i=Vref/r カレントミラー回路142は、抵抗144を流れる電流iと
同じ電流iを、抵抗146に流す。したがって、ノードN3
に現われる電圧Voutは、以下の式で表わされる。
Vout=iR=R・Vref/r たとえばR:r=12:1に設定することにより、Vout=12V
refとなる。すなわち、基準電圧Vrefから、基準電圧の1
2倍の値を持つ電圧Voutが得られる。
上述のように、たとえば所定の基準電圧から他の所定
の電圧を得る際には、一定の抵抗比を有する2つの抵抗
144、146が用いられる。この場合、次のような2つの方
法が考えられる。
第1の方法は、単位長さ当り一定の抵抗値を有する、
ポリシリコンなどからなる抵抗体材料を、抵抗値に応じ
た長さだけ形成する方法である。第2の方法は、一定の
大きさおよび形状に抵抗体を形成し、それらを必要な数
だけ相互に接続して、所定の抵抗値を得る方法である。
この2つの方法のうち、第2の方法が一般的に採用さ
れている。その理由は以下のとおりである。半導体上で
は、抵抗体は前述のようにポリシリコンで、接続配線は
抵抗の少ない金属材料で形成されることが多い。これら
材料は相互に、単位長さ当りの抵抗値が異なる。そのた
め、第1の方法で所定の抵抗比を得るためには、抵抗体
の長さの比を、目的とする抵抗比と等しくしただけでは
所定の抵抗比を得ることができない。
一方、第2の方法では、各単位抵抗体当りの抵抗値が
相互にほぼ等しい。したがって、これらを所定の個数つ
ないだときの比精度(得られた抵抗比の、目的とする抵
抗比に対する割合)は高くなる。
以上の理由から、前述のようにたとえは12:1の抵抗比
を得る場合には、第8図に示されるようなユニット抵抗
体の配置がとられる。第8図を参照して、端子A、B間
に、抵抗値rのユニット抵抗体が1つ接続される。一
方、端子C、D間に、それぞれ抵抗値rを有するユニッ
ト抵抗体が12個直列に接続される。
容易にわかるように、端子A、B間の抵抗値はrであ
り、端子C、D間の抵抗値は12rである。この抵抗回路
を第7図に示される抵抗144、146に用いることにより、
基準電圧Vrefに対し、出力電圧12Vrefを得ることができ
る。
[発明が解決しようとする課題] 第8図に示されるようなレイアウトで大きな抵抗比を
得ようとすると、必然的にユニット抵抗の数が多くな
る。ユニット抵抗が、前述のようにポリシリコンで作ら
れているとする。一般に、ポリシリコンの抵抗を制御す
るために、ポリシリコン中には不純物イオンが注入され
る。この不純物イオンの面内分布が一様であれば特に問
題は生じない。しかし、不純物イオンの濃度の面内分布
には、何らかの傾斜があるのが通常である。これは、イ
オン注入後の熱拡散プロセスで装置内の温度分布に不均
一があったり、CVD(Chemical Vapor Deposition)法
で成膜する場合のガス流の不均一などにより起こる。そ
のため、ユニット抵抗体の抵抗値も、半導体の主表面内
でばらつくことになる。
たとえば第9図を参照して、第8図における上方にお
いて、ユニット抵抗体の抵抗値が高く、第8図における
下方で抵抗値が低く仕上げられたとする。下方に配置さ
れた端子C、D間の抵抗は大きく、上方に位置する端子
A、B間の抵抗は小さくなる。したがって、その比は目
的とする12:1以上になってしまうことが予想される。
さらに、抵抗値のばらつきは、面内で温度の分布が一
様でない場合などにも引き起こされる。これは、通常、
抵抗体の抵抗値は、その温度とともに変化するためであ
る。
この結果、次のような問題が生ずる。たとえば、距離
1離れたユニット抵抗間でr0Ωずつ抵抗値が下がるもの
とする。第8図において、一番上の抵抗がrΩであると
すると、端子C、D間の抵抗RCDは、次式で表わされ
る。
RCD=(r−r0)+(r−2r0)+… +(r−12r0)=12r−78r0 一方、端子A、B間の抵抗RABは次式で表わされる。
RAB=r したがって、抵抗比RCD:RAB=(12−78r0)/rとな
る。r0=0.01r(1%)とする。抵抗比RCD/RAB=11.22
となる。この値は、目的とされる値12とは大きく異なる
値である。
抵抗値の変化率を示すr0はプロセス方式によって異な
るのでその影響は一概には言えないが、距離10mm当り20
%もの変動を抵抗値に生ずることもある。このような場
合、所定の電圧を得ることができず、半導体集積回路が
正しく動作することが不可能になる。
この発明は上述の課題を解消するためになされたもの
で、大きな抵抗比を精度よく得ることができる、半導体
集積回路上の抵抗回路を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 請求項1に記載の発明に係る、半導体集積回路上の抵
抗回路は、主表面を有する半導体基板と、主表面を有す
る半導体基板と、主表面上に形成された絶縁膜と、絶縁
膜上に所定の中心点の周りに点対称に、かつマトリクス
状に配置して形成された複数個の単位抵抗体と、単位抵
抗体の、中心点の周りに点対称に配置された第1の複数
個を接続して、第1の抵抗値を実現するための第1の接
続手段と、単位抵抗体の、第1の接続手段により接続さ
れない、中心点の周りに点対称に配置された第2の複数
個を接続して、第2の抵抗値を実現するための第2の接
続手段とを含む。
請求項2の記載の発明に係る半導体集積回路上の抵抗
回路においては、請求項1に記載の回路に加えてさら
に、第1の複数の、第2の複数に対する比は、第1の抵
抗値の、第2の抵抗値に対する比よりも小さく選ばれて
いる。
請求項3に記載の半導体集積回路上の抵抗回路におい
ては、請求項1または2に記載の回路に加えてさらに、
第1の接続手段により接続される単位抵抗体と、第2の
接続手段により接続される単位抵抗体とは、マトリクス
の異なる行内に配置されており、かつ第1の接続手段に
より接続される単位抵抗体の行と、第2の接続手段によ
り接続される単位抵抗体の行とは、交互に配置されてい
る。
請求項4に記載の発明に係る、半導体集積回路上の抵
抗回路においては、請求項1〜3のいずれかに記載の発
明の回路に加えてさらに、第2の接続手段は、予め定め
られた数の単位抵抗体の直列接続を複数個形成するため
の手段と、複数個の直列接続を互いに並列接続するため
の手段とを含む。
[作用] 各単位抵抗体の抵抗値が、主表面上においてある傾向
で変化していても、各接続手段により接続された単位抵
抗体全体の抵抗値の平均は、その配置の中心点における
単位抵抗体と抵抗値に近づく。請求項1に記載の発明に
係る半導体集積回路上の抵抗回路においては、第1の抵
抗値を実現するために接続される単位抵抗体と、第2の
抵抗値を実現するために接続される単位抵抗体とは、い
ずれもマトリクスの中心に関して点対称に配置されてお
り、その配置の中心は一致する。そのため抵抗値のばら
つきは、いずれの場合にも中心点に関して点対称となる
一対の単位抵抗体によってほぼ相殺される。したがって
第1の抵抗値を実現するための単位抵抗体の抵抗値の平
均値と、第2の抵抗値を実現するための単位抵抗値の抵
抗値の平均値ともほぼ等しくなる。
請求項2の記載の発明に係る半導体集積回路上の抵抗
回路においてはさらに、小さい方の第2の抵抗値を実現
するための単位抵抗体の数が、第1の抵抗値を実現する
ための単位抵抗体の数に近く選ばれる。そのため、第2
の抵抗値を実現するための単位抵抗体を、第1の抵抗値
を実現するための単位抵抗体と同じ程度の密度で主表面
上に分散させることができる。したがって、単位抵抗体
の抵抗値の変化が、面内において一様でなくても、それ
ぞれの抵抗値を実現するための単位抵抗体の抵抗値に及
ぼされる変化が、互いにほぼ等しくなる。
請求項3に記載の発明に係る、半導体集積回路上の抵
抗回路においては、請求項1または2に記載の発明に係
る作用に加えてさらに、第1の接続手段により接続され
る単位抵抗体と、第2の接続手段により接続される単位
抵抗体とは、マトリクスの異なる行内に配置されてお
り、かつ第1の接続手段により接続される単位抵抗体の
行と、第2の接続手段により接続される単位抵抗体の行
とは、交互に配置されている。したがって、それぞれの
抵抗値を実現するための単位抵抗体の抵抗値の分布は、
互いに近似したものとなる。
請求項4に記載の発明に係る半導体集積回路上の抵抗
回路においては、請求項1〜3のいずれかに記載の発明
に係る作用に加えてさらに、第2の接続手段は、予め定
められた数の単位抵抗体の直列接続を複数個形成するた
めの手段と、複数個の直列接続を互いに並列接続するた
めの手段とを含む。このように複数個の直列接続を並列
接続することによって、比較的小さな抵抗値を比較的大
きな数の単位抵抗体で実現することができる。そのた
め、第1の接続手段により接続される単位抵抗体の数
と、第2の接続手段により接続される単位抵抗体の数と
の比を1に近付けることが可能となり、それぞれに属す
る単位抵抗体をマトリクス状に配置することが容易にな
る。またこのような形式で第2の抵抗値を実現すること
により、第2の接続手段により接続される単位抵抗体の
個々の抵抗値のばらつきのもつ影響は小さくなり、より
比精度の高い抵抗比を実現することができる。
[実施例] 第4A図〜第4C図は、オームの法則を説明するための図
である。第4A図に示される端子T1、T2間に接続されたユ
ニット抵抗の抵抗値をrとする。第4B図に示されるよう
に、端子T1、T2間に同じユニット抵抗体を2つ直列に接
続したものを2つ並列に接続した回路も、同じ抵抗rを
有する。さらにまた、オームの法則によれば、第4C図に
示されるように、抵抗値rを有するユニット抵抗体を2
つ並列接続したものを2つ直列接続しても、同じ抵抗値
rを得ることができる。本発明は、抵抗回路のこのよう
な性質を利用したものである。
第1図は本発明の一実施例に係る、半導体集積回路上
の抵抗回路の概略レイアウト図である。第2図は、第1
図のII−II方向の矢視断面図である。第3図は、第1図
に示される回路の模式的レイアウト図である。
第1図〜第3図を参照して、この抵抗回路は、シリコ
ン基板10上のシリコン酸化膜12上に、概略6行×3列の
マトリックスを形成するように配置された、ポリシリコ
ンからなるユニット抵抗体14〜44を含む。
このマトリックスの第1行は、左から順に形成された
ユニット抵抗体14、16、18を含む。マトリックスの第2
行は、それぞれ第1列目および第3列目に形成されたユ
ニット抵抗体38、40を含む。第3行は、図における右側
からこの順に形成されたユニット抵抗体20、22、24を含
む。第4行は、左からこの順に形成されたユニット抵抗
体26、28、30を含む。第5行は、第1列目および第3列
目に形成されたユニット抵抗体42、44を含む。第6行
は、図における右側から順に形成されたユニット抵抗体
32、34、36を含む。
ユニット抵抗体14は、金属配線46によって端子Cに接
続される。ユニット抵抗体14〜36は、それぞれこの順で
金属配線48〜68により直列接続される。ユニット抵抗体
36はさらに、金属配線70によって端子Dに接続されてい
る。
ユニット抵抗体38、42は、金属配線72によって端子A
に接続されている。ユニット抵抗体40は、金属配線74に
よってユニット抵抗体38に接続される。ユニット抵抗体
44は、金属配線78によってユニット抵抗体42に接続され
る。金属配線74、78は、金属配線82によって相互に接続
される。ユニット抵抗体40、44は、金属配線76、80、84
によって相互に接続される。金属配線84は、同じく金属
配線86により端子Bに接続されている。
ユニット抵抗体14〜36は、抵抗値12rを得るために接
続される。また、ユニット抵抗体38〜44は、第4C図に示
される回路を構成し、これによって抵抗値rを実現す
る。
第1図〜第3図から容易にわかるように、ユニット抵
抗体14〜36は、一点Ρに対して点対称となるように配置
されている。ユニット抵抗体38〜44も、点Ρに対し点対
称に配置されている。
さらに、ユニット抵抗体のマトリックスの第1行と第
3行とは、第1の抵抗値を実現するための回路に属す
る。また、その間に挿入されている第2行目は、第2の
抵抗値を実現するための回路に属する。第4行、第6行
と、第5行との関係も同様である。
本実施例の場合、以上の説明から明らかなように12:1
の抵抗比を得ることができる。しかし、各抵抗値を実現
するために用いられるユニット抵抗体の数は12および4
である。その比は3:1であり、抵抗比12:1よりも小さく
なっている。
以上の実施例の抵抗回路によれば、第8図に示される
レイアウトに比べて、以下の理由で高い比精度が得られ
る。
たとえば第1図および第3図において、図の上方から
下方にかけて、ユニット抵抗の抵抗値がだんだん低くな
るように、ユニット抵抗を形成するポリシリコン層が形
成された場合を考える。距離1ごとに、ユニット抵抗体
の抵抗値がr0Ωずつ減るものとし、各ユニット抵抗は距
離1ずつ離れて配置されているとする。第1図、第3図
における一番上方をユニット抵抗14、16、18がそれぞ
れ、抵抗値rΩに仕上ったとする。端子A、B間の抵抗
RAB、端子C、Dの抵抗RCDは以下のようになる。
RCD=r+r+r +(r−2r0)+(r−2r0) +(r−2r0)+(r−3r0) +(r−3r0)+(r−3r0) +(r−5r0)+(r−5r0) +(r−5r0) =12r−30r0 これらより、比抵抗RCD/RABは以下の式により求めら
れる。
r0=0.01r(1%)とすると、比抵抗RCD/RABは、11.9
850となる。したがって、第8図に示される従来の抵抗
回路に比べて、著しく比精度が上昇することがわかる。
以上の説明では、抵抗値が、図の上から下に向かって
低下する場合が示された。しかし、前述のように各ユニ
ット抵抗は点Ρに対し点対称に配置されている。そのた
め、抵抗値の傾斜がどの方向であっても、同様の効果を
得ることができる。互いに対称な2つのユニット抵抗の
間で、抵抗値の変化が概ね相殺されるためである。
第5図には、さらに進んだ、本発明の第2の実施例の
半導体集積回路上の抵抗回路のレイアウトが示されてい
る。この実施例は、第1の実施例と同様にオームの法則
を利用したものである。すなわち、第6図A図に示され
る端子T1、T2間の抵抗rが、第6B図に示されるように接
続された9個の抵抗rからなる回路によっても実現され
ることを利用したものである。
第5図を参照して、この抵抗回路は、7行×3列のマ
トリックス形成するように配列された、各々抵抗値rを
有するユニット抵抗14〜36、88〜104を含む。
ユニット抵抗14は金属配線46によって端子Cに接続さ
れている。ユニット抵抗体14〜36は、金属配線48〜68に
よって直列に接続されている。ユニット抵抗36は、金属
配線70によって端子Dに接続されている。
ユニット抵抗体88〜92は、金属配線116、118によって
直列に接続されている。ユニット抵抗94〜98は、金属配
線124、126によって直列に接続されている。ユニット抵
抗100、102、104は、金属配線132、134によって直列に
接続されている。金属配線116、124、132は、金属配線1
10によって相互に接続されている。金属配線118、126、
134は、金属配線112によって相互に接続されている。ユ
ニット抵抗88、94、100は、それぞれ金属配線114、12
2、130によって金属配線106に接続され、金属配線106は
端子Aに接続されている。ユニット抵抗92、98、104
は、それぞれ金属配線120、128、136によって金属配線1
08に接続され、金属配線108は端子Bに接続されてい
る。
第5図に示される抵抗回路の場合、端子C、D間の抵
抗は12rとなる。端子A、B間の抵抗は、第6B図に示さ
れる端子T1、T2間の配線と同一になり、したがって抵抗
rΩとなる。
第5図に示されるようなユニット抵抗の配置は以下の
特徴を有する。この配置においては、ユニット抵抗体が
配置の中心点に対して点対称となるように配置されてい
る。かつ、端子C、D間に接続されているユニット抵抗
を含む行と、端子A、B間に接続されているユニット抵
抗の行とが、完全に交互に配置されている。したがっ
て、この配置においては、第1の実施例において挙げら
れたような利点がさらに効果を上げ、第1の実施例に示
される抵抗回路よりもさらによい精度で12:1に近い抵抗
比を得ることができる この発明に係る抵抗回路においては、小さい方の抵抗
値を実現するユニット抵抗の数は、大きい方の抵抗値を
実現するユニット抵抗数に近いことが好ましい。ユニッ
ト抵抗を交互に配置したり、点対称に配置したりするこ
とがより容易になるためである。また、双方のユニット
抵抗をできるだけ近接して分散することができ、抵抗値
の変化そのものにばらつきがあった場合にも、双方に同
様の影響が及ぼされる結果、得られる抵抗比からは、抵
抗値の変化そのもののばらつきによる影響が取り除かれ
るからである。しかし、第1の実施例において示された
ように、双方に含まれるユニット抵抗の数の比を、実現
する抵抗比よりも多少1に近づけるだけでもかなりの効
果が得られる。
以上、本発明が実施例に基づいて詳細に説明された。
しかし、本発明はこれらの実施例に限定されない。たと
えば、上述の実施例においては、簡単のために1対の抵
抗についてのみ説明された。しかし、3つ以上の抵抗間
の抵抗比を得る場合にも、同様の方法で高い比精度を得
ることができる。
[発明の効果] 以上のように、請求項1に記載の半導体集積回路上の
抵抗回路においては、第1の抵抗値および第2の抵抗値
を実現するための単位抵抗体の抵抗値の平均値は、互い
にほぼ等しくなる。抵抗値の変化による影響は、第1の
抵抗値に対しても、第2の抵抗値に対しても同様に及ぼ
される。その結果、第1の抵抗値と第2の抵抗値との抵
抗比を精度よく実現することができる。
請求項2の記載の半導体集積回路上の抵抗回路におい
ては、さらに、第2の抵抗値を実現するための単位抵抗
体の配置を、第1の抵抗値を実現するための単位抵抗体
の配置に近づけることができる。したがって、第1およ
び第2の抵抗値を実現するための各単位抵抗体の抵抗値
のばらつきを、互いにより近づけることができる。
請求項3に記載の半導体集積回路上の抵抗回路におい
ては、請求項1または2に記載の発明による効果に加え
てさらに、第1の抵抗値、第2の抵抗値を実現するため
の各単位抵抗体の抵抗値の相違が最小に抑えられる。第
1の抵抗値、第2の抵抗値を実現するための単位抵抗体
の抵抗値のばらつき方の相違がより小さくなり、求める
抵抗比をより精度よく実現することができる。
請求項4に記載の半導体集積回路上の抵抗回路におい
ては、請求項1〜3のいずれかに記載の発明による効果
に加えてさらに、小さい方の第2の抵抗値を実現するた
めの単位抵抗体を比較的多くの数とすることができるの
で、第1の抵抗値を実現するための単位抵抗体とともに
できるだけ抵抗値の傾斜の影響を受けないようなマトリ
クス状の配置を行うことが容易にできる。また少ない抵
抗値を多くの単位抵抗体で実現するので、個々の単位抵
抗体の抵抗値のばらつきによる影響がより小さくなり、
第2の抵抗値を高い精度で実現することができる。
すなわち、請求項1〜4に記載のいずれの半導体集積
回路上の抵抗回路においても、大きな抵抗比を精度よく
得ることができる、半導体集積回路上の抵抗回路を提供
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る抵抗回路の配置を示す、半導体集
積回路の平面図であり、 第2図は第1図のII−II方向の矢視断面図であり、 第3図は第1図に示される回路のレイアウトを模式的に
示す図であり、 第4A図〜第4C図は、この発明が関連するオームの法則を
説明するための回路図であり、 第5図はこの発明の第2の実施例に係る抵抗回路のレイ
アウトを模式的に示す図であり、 第6A図、第6B図は、この発明の第2の実施例を説明する
ための回路図であり、 第7図は基準電圧から一定の電圧を得るための回路の回
路図であり、 第8図は、従来の抵抗回路におけるユニット抵抗体の配
置を模式的に示す図であり、 第9図はユニット抵抗の抵抗値の変化を示す図である。 図中、10は基板、12はシリコン酸化膜、14〜45、88〜10
4はユニット抵抗、46〜86、106〜136は金属配線を示
す。 なお、図中同一符号は同一、または相当箇所を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/04 H01L 21/822

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】予め定められる第1の抵抗値および、前記
    第1の抵抗値より小さな予め定められる第2の抵抗値と
    により定まる抵抗比を実現するための、半導体集積回路
    上の抵抗回路であって、 主表面を有する半導体基板と、 前記主表面上に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜上に所定の中心点の周りに点対称に、かつマ
    トリクス状に配置して形成された複数個の単位抵抗体
    と、 前記単位抵抗体の、前記中心点の周りに点対称に配置さ
    れた第1の複数個を接続して、前記第1の抵抗値を実現
    するための第1の接続手段と、 前記単位抵抗体の、前記第1の接続手段により接続され
    ない、前記中心点の周りに点対称に配置された第2の複
    数個を接続して、前記第2の抵抗値を実現するための第
    2の接続手段とを含む、半導体集積回路上の抵抗回路。
  2. 【請求項2】前記第1の複数の、前記第2の複数に対す
    る比は、前記第1の抵抗値の、前記第2の抵抗値に対す
    る比より小さく選ばれている、請求項1に記載の半導体
    集積回路上の抵抗回路。
  3. 【請求項3】前記第1の接続手段により接続される前記
    単位抵抗体と、前記第2の接続手段により接続される前
    記単位抵抗体とは、前記マトリクスの異なる行内に配置
    されており、かつ前記第1の接続手段により接続される
    前記単位抵抗体の行と、前記第2の接続手段により接続
    される前記単位抵抗体の行とは、交互に配置されてい
    る、請求項1または2に記載の半導体集積回路上の抵抗
    回路。
  4. 【請求項4】前記第2の接続手段は、予め定められた数
    の前記単位抵抗体の直列接続を複数個形成するための手
    段と、前記複数個の直列接続を互いに並列接続するため
    の手段とを含む、請求項1〜3のいずれかに記載の半導
    体集積回路上の抵抗回路。
JP02316851A 1990-11-20 1990-11-20 半導体集積回路上の抵抗回路 Expired - Lifetime JP3084056B2 (ja)

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