JP3337770B2 - Eclゲート回路 - Google Patents

Eclゲート回路

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JP3337770B2
JP3337770B2 JP20936893A JP20936893A JP3337770B2 JP 3337770 B2 JP3337770 B2 JP 3337770B2 JP 20936893 A JP20936893 A JP 20936893A JP 20936893 A JP20936893 A JP 20936893A JP 3337770 B2 JP3337770 B2 JP 3337770B2
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敬 富田
幸一 横溝
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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、バイポーラ技術、ある
いはバイポーラ・CMOS(相補型MOSトランジス
タ)技術により製造される半導体集積回路装置において
形成される基本回路の1つであるECL(Emitter Coup
led Logic)ゲート回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば次のような文献に記載されるものがあった。 文献;柴田・山本・富永・高橋・東迎著「VLSIテク
ノロジー入門」初版(1986−9−1)平凡社、P.
110−111 前記文献等に記載されているように、ECLゲート回路
は、トランジスタのエミッタを共通に接続した差動増幅
回路を基本とする電流切換え型論理回路である。各トラ
ンジスタは飽和動作をしないため、高速のスイッチング
回路を構成でき、高速論理ゲートを必要とする各種の装
置に広く用いられている。回路の基本形がエミッタフォ
ロアであるため、入力インピーダンスが高く、出力イン
ピーダンスが低いので、大きなファンアウトがとれる。
反面、消費電力はTTL(トランジスタ・トランジスタ
・ロジック)等に比較して多い。
【0003】図2は、前記文献に記載された従来のEC
Lゲート回路の一構成例を示す回路図である。このEC
Lゲート回路は、複数の入力信号A1,A2,A3と基
準電位VBBとの大小比較を行ってその比較結果を出力ノ
ードN15,N16より出力するカレントスイッチ回路
10と、該カレントスイッチ回路10に定電流を流す定
電流源回路20と、該出力ノードN15,N16にそれ
ぞれ接続され負荷の駆動能力を向上させるエミッタフォ
ロア回路21,22とを備え、バイポーラトランジスタ
で構成された高速ディジタル回路である。カレントスイ
ッチ回路10は、入力信号A1,A2,A3がベースに
それぞれ入力される複数の入力トランジスタ11,1
2,13と、基準電位VBBがベースに入力される基準ト
ランジスタ14とを有し、それらのトランジスタ11,
12,13,14のエミッタが共通接続されている。複
数の入力トランジスタ11,12,13の各コレクタ
は、出力ノードN15に共通接続され、該出力ノードN
15が抵抗15を介して高電位側の電源電位VCC(=0
V)に接続されている。基準トランジスタ14のコレク
タは、出力ノードN16に接続され、該出力ノードN1
6が抵抗16を介して電源電位VCCに接続されている。
トランジスタ11,12,13,14の共通接続された
エミッタは、定電流源回路20を介して低電位側の電源
電位VEEに接続されている。
【0004】エミッタフォロア回路21は、カレントス
イッチ回路10の出力ノードN15の出力信号を入力と
して出力端子Q1に接続する出力負荷を駆動する回路で
あり、エミッタフォロアトランジスタ21a及び抵抗2
1bを有している。トランジスタ21aは、そのコレク
タが電源電位VCC、ベースが出力ノードN15、エミッ
タが出力端子Q1にそれぞれ接続されている。抵抗21
bは、その一端が出力端子Q1に、他端が電源電位VEE
にそれぞれ接続されている。同様に、エミッタフォロア
回路22は、カレントスイッチ回路10の出力ノードN
16の出力信号を駆動して出力端子Q2から出力する回
路であり、エミッタフォロアトランジスタ22a及び抵
抗22bを有している。トランジスタ22aは、そのコ
レクタが電源電位VCCに、ベースが出力ノードN16
に、エミッタが出力端子Q2にそれぞれ接続されてい
る。抵抗22bは、その一端が出力端子Q2に、他端が
電源電位VEEにそれぞれ接続されている。この種のEC
Lゲート回路における公知のECL 10KH仕様 にお
いては、電源電位VCC=0V、電源電位VEE=−5.2
V、基準電位VBB=−1.29Vとなっている。
【0005】次に、動作を説明する。複数の入力信号A
1,A2,A3のいずれの電位も基準電位VBBより低い
場合、トランジスタ14がオン状態となり、トランジス
タ11,12,13がオフ状態となる。トランジスタ1
4がオン状態になると、該トランジスタ14を通じて抵
抗16に定電流源回路20によって供給される定電流が
流れ電圧降下が生じるため、出力ノードN16の電位は
電源電位VCCよりも電圧降下分だけ下がる。VCCを0
V、この電圧降下を0.8Vに設計すれば、出力ノード
N16の電位は−0.8Vとなる。トランジスタ22a
のベース・エミッタ間ビルトイン電圧が約0.8Vなの
で、出力端子Q2の電位は約−1.6Vの“L”レベル
になる。トランジスタ11,12,13がオフ状態にな
ると、抵抗15には電流が流れないので、出力ノードN
15の電位は電源電位VCCに等しい。トランジスタ21
aのベース・エミッタ間ビルトイン電圧が約0.8Vな
ので、出力端子Q1の電位は約−0.8Vの“H”レベ
ルになる。複数の入力信号A1,A2,A3のいずれか
1つ(例えば、A1)の電位が基準電位VBBよりも高い
場合、トランジスタ11がオン状態となり、トランジス
タ14がオフ状態となる。そのため、前記とは反対に、
出力ノードN16の電位が0Vとなって出力端子Q2が
“H”レベルとなり、出力ノードN15の電位が−0.
8Vとなって出力端子Q1が“L”レベルとなる。出力
端子Q1からはNOR(否定論理和)出力、出力端子Q
2からはOR(論理和)出力を取り出せる。この種の回
路では、電源電流を一定に保つことができ、それによっ
て電源ノイズを抑えることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
バイポーラトランジスタで構成されたECLゲート回路
では、次のような問題があり、それを解決することが困
難であった。従来のECLゲート回路では、各トランジ
スタ11,12,13,14,…が飽和動作をしないた
め、CMOSゲート回路やバイポーラ・CMOSゲート
回路に比べて高速で動作するという長所を有する。しか
し、カレントスイッチ回路10に定常的に電流を流して
おく必要があるため、消費電力が大きいという問題があ
り、それを比較的簡単な回路構成で解決することが困難
であった。本発明は、前記従来技術が持っていた課題と
して、高速動作を可能にしつつ、消費電力を少なくする
ことが困難な点について解決したECLゲート回路を提
供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために、ECLゲート回路において、エミッタが
共通接続された複数のトランジスタを有し、それらのベ
ース入力によって電流経路が切換えられる第1のカレン
トスイッチ回路と、前記第1のカレントスイッチ回路の
出力信号に基づき出力負荷を駆動する第1のエミッタフ
ォロア回路と、ベースに固定電位が印加されるクランプ
用トランジスタと、エミッタが共通接続された複数のト
ランジスタを有し、それらのベース入力によって電流経
路が切換えられる第2のカレントスイッチ回路と、前記
第2のカレントスイッチ回路の出力信号に基づき出力負
荷を駆動する第2のエミッタフォロア回路と、定電流を
流す定電流源回路とを備えている。そして、前記第1の
カレントスイッチ回路、クランプ用トランジスタ、第2
のカレントスイッチ回路、及び定電流源回路の順に、そ
れらを第1と第2の電源電位間に直列接続して構成して
いる。
【0008】
【作用】本発明によれば、以上のようにECLゲート回
路を構成したので、第1及び第2の電源電位を印加する
と、第1と第2のカレントスイッチ回路に同一の電流が
流れる。第1のカレントスイッチ回路の論理動作に伴
い、該第1のカレントスイッチ回路とクランプ用トラン
ジスタの接続点の電位が変動するが、第2のカレントス
イッチ回路とクランプ用トランジスタの接続点の電位
が、クランプ用トランジスタによって定電位化され、一
定の電圧が該第2のカレントスイッチ回路に印加され
る。そのため、第1と第2のカレントスイッチ回路は、
各々独立に安定した論理動作を行う。第1及び第2のカ
レントスイッチ回路には同一の電流が流れ、それらの電
力消費量がこれらの第1及び第2のカレントスイッチ回
路で分担されるので、1ゲート当りの消費電力は従来の
1/2になる。従って、前記課題を解決できるのであ
る。
【0009】
【実施例】図1は、本発明の実施例を示すバイポーラト
ランジスタで構成されたECLゲート回路の回路図であ
る。このECLゲート回路は、第1の電源電位(例え
ば、高電位側の電源電位)VCCとノードN30との間に
接続された第1のカレントスイッチ回路30と、ノード
N40とN50との間に接続された第2のカレントスイ
ッチ回路50とを有している。ノードN30とN40間
には、クランプ用トランジスタ40が接続され、さらに
ノードN50が、定電流源回路60を介して第2の電源
電位(例えば、低電位側の電源電位)VEEに接続されて
いる。第1のカレントスイッチ回路30の2つの出力ノ
ードN35,N36には、それらの出力に基づき出力負
荷を駆動する2つのエミッタフォロア回路41,42が
接続されている。同様に、第2のカレントスイッチ回路
50の2つの出力ノードN55,N56には、それらの
出力に基づき出力負荷を駆動する2つのエミッタフォロ
ア回路61,62がそれぞれ接続されている。第1のカ
レントスイッチ回路30は、複数の入力信号A1,A
2,A3と基準電位Vth1との大小比較を行ってそれら
の比較結果を出力ノードN35,N36から出力する回
路であり、入力信号A1,A2,A3がそれぞれベース
に入力されるNPN型の入力トランジスタ31,32,
33と、基準電位Vth1がベースに入力されるNPN型
の基準トランジスタ34とを有し、それらのエミッタが
ノードN30に共通接続されている。トランジスタ3
1,32,33のコレクタは、出力ノードN35に共通
接続され、該出力ノードN35が抵抗35を介して電源
電位VCCに接続されている。トランジスタ34のコレク
タは、出力ノードN36に接続され、該出力ノードN3
6が抵抗36を介して電源電位VCCに接続されている。
【0010】出力ノードN35に接続されたエミッタフ
ォロア回路41は、該出力ノードN35にベースが接続
されたNPN型のエミッタフォロアトランジスタ41a
と、抵抗41bとを有し、そのトランジスタ41aのコ
レクタが電源電位VCCに接続されている。トランジスタ
41aのエミッタは、NOR出力を取り出す出力端子Q
1に接続され、該出力端子Q1が抵抗41bを介して電
源電位VEEに接続されている。出力ノードN36に接続
されたエミッタフォロア回路42は、該出力ノードN3
6にベースが接続されたNPN型のエミッタフォロアト
ランジスタ42aと、抵抗42bとを有し、該トランジ
スタ42aのコレクタが電源電位VCCに接続されてい
る。トランジスタ42aのエミッタは、OR出力を取り
出す出力端子Q2に接続され、該出力端子Q2が抵抗4
2bを介して電源電位VEEに接続されている。第1のカ
レントスイッチ回路30のノードN30には、NPN型
のクランプ用トランジスタ40のコレクタが接続されて
いる。トランジスタ40のベースには一定電位VC が印
加され、そのエミッタが第2のカレントスイッチ回路5
0のノードN40に接続されている。このトランジスタ
40は、ノードN40の電位を一定にする働きをする。
【0011】第2のカレントスイッチ回路50は、第1
のカレントスイッチ回路30と同様に、複数の入力信号
A4,A5,A6と基準電圧Vth2との大小比較を行っ
てその比較結果を2つの出力ノードN55,N56から
出力する回路である。このカレントスイッチ回路50
は、入力信号A4,A5,A6がそれぞれベースに入力
されるNPN型の入力トランジスタ51,52,53
と、基準電位Vth2がベースに入力されるNPN型の基
準トランジスタ54とを有し、それらのエミッタがノー
ドN50に共通接続されている。トランジスタ51,5
2,53のコレクタは、出力ノードN55に共通接続さ
れ、該出力ノードN55が抵抗55を介してノードN4
0に接続されている。トランジスタ54のコレクタは、
出力ノードN56に接続され、該出力ノードN56が抵
抗56を介してノードN40に接続されている。出力ノ
ードN55に接続されたエミッタフォロア回路61は、
該ノードN55がベースに接続されたNPN型のエミッ
タフォロアトランジスタ61aと、抵抗61bとを有
し、該トランジスタ61aのコレクタが電源電位VCC
接続されている。トランジスタ61aのエミッタは、N
OR出力を取り出す出力端子Q3に接続され、該出力端
子Q3が抵抗61bを介して電源電位VEEに接続されて
いる。出力ノードN56に接続されたエミッタフォロア
回路62は、該出力ノードN56にベースが接続された
NPN型のエミッタフォロアトランジスタ62aと、抵
抗62bとを有し、該トランジスタ62aのコレクタが
電源電位VCCに接続されている。トランジスタ62aの
エミッタは、OR出力を取り出す出力端子Q4に接続さ
れ、該出力端子Q4が抵抗62bを介して電源電位VEE
に接続されている。
【0012】第2のカレントスイッチ回路50のノード
N50は、該ECLゲート回路に一定電流を流すための
定電流源回路60を介して電源電位VEEに接続されてい
る。図3は、図1中の定電流源回路60の構成例を示す
回路図である。この定電流源回路60は、抵抗60aを
有し、その一端が電源電位VCCに接続され、その他端に
カレントミラー回路を構成する2つのNPN型トランジ
スタ60b,60cが接続されている。トランジスタ6
0bは、そのコレクタが第2のカレントスイッチ回路5
0のノードN50に接続され、ベースがトランジスタ6
0cのベース及びコレクタに、エミッタが電源電位VEE
にそれぞれ接続されている。トランジスタ60cは、そ
のコレクタ及びベースが抵抗60aに、エミッタが電源
電位VEEに、それぞれ接続されている。以上のように構
成されるECLゲート回路の動作を説明する。電源電位
CC,VEEを印加すると、定電流源回路60内のトラン
ジスタ60b,60cのカレントミラー動作によって一
定の電源電流が第1のカレントスイッチ回路30、クラ
ンプ用トランジスタ40及び第2のカレントスイッチ回
路50を通して流れる。第1のカレントスイッチ回路3
0は、電源電位VCCの印加によって切換え動作が行わ
れ、その切換え動作によってノードN30の電位が変動
するが、トランジスタ40のベースには一定電位VC
印加され、該トランジスタ40のコレクタ電流が一定な
ので、該トランジスタ40のベース・エミッタ間電圧は
一定になる。そのため、第2のカレントスイッチ回路5
0のノードN40に一定の電圧が印加され、その電圧に
基き該第2のカレントスイッチ回路50が安定した切換
え動作を行う。従って、第1と第2のカレントスイッチ
回路30,50では、それぞれ独立した論理動作が可能
となる。
【0013】例えば、第1のカレントスイッチ回路30
において、入力信号A1,A2,A3のいずれの電位も
基準電位Vth1より低い場合、トランジスタ34がオン
状態、トランジスタ31,32,33がオフ状態とな
る。トランジスタ34がオン状態になると、トランジス
タ34を通じて抵抗36に定電流源回路60によって供
給される定電流が流れ電圧降下が生じるため、出力ノー
ドN36の電位は電源電位VCCよりも電圧降下分だけ下
がる。同時に、出力端子Q2も、この電圧降下分だけ電
位が下がり、“L”レベルになる。トランジスタ31,
32,33がオフ状態になると、抵抗35には電流が流
れないので電圧降下は生じない。出力ノードN35の電
位は電源電位VCCに等しく、出力端子Q1が“H”レベ
ルになる。一方、入力信号A1,A2,A3のいずれか
1つ(例えば、A1)の電位が基準電位Vth1よりも高
い場合、トランジスタ31がオン状態となってトランジ
スタ34がオフ状態となる。そのため、前記とは反対
に、抵抗35に定電流源回路60によって供給される定
電流が流れ電圧降下が生じるため、出力ノードN35の
電位が電源電位VCCよりも電圧降下分だけ下がる。同時
に、出力端子Q1も、この電圧降下分だけ電位が下が
り、“L”レベルになる。また、抵抗36には電流が流
れないので電圧降下は生じない。出力ノードN36の電
位は電源電位VCCに等しく、出力端子Q1は“H”レベ
ルになる。第1のカレントスイッチ回路30を流れる電
流は、定電流源回路60によって一定電流が供給されて
いる。この電流は、クランプ用トランジスタ40を通し
て第2のカレントスイッチ回路50へ流れる。
【0014】第2のカレントスイッチ回路50では、第
1のカレントスイッチ回路30と同様の論理動作を行
う。図1のECLゲート回路においては、高速動作をさ
せるために各バイポーラトランジスタ31,32,3
3,…が飽和動作しない必要があり、設計ではこの点を
注意し、次のようにして電源電位等を設定する必要があ
る。例えば、ECL 10KH仕様を採用し、電源電位
CC=0V 、電源電位VEE=−4.94V(ECL 1
0KH規格での最大電圧)である場合、基準電位Vt h
=−1.1V、基準電位Vth2=−3.57V、及び固
定電位VC=−1.67Vとし、出力端子Q1,Q2,
Q3,Q4の出力電圧振幅を0.6Vに設計したとす
る。バイポーラトランジスタのベース・エミッタ間ビル
トイン(built-in)電圧が約0.8Vであるので、第1
のカレントスイッチ回路30の出力ノードN35,N3
6の出力電圧は0V〜−0.6V、出力端子Q1,Q2
の出力電圧は−0.8V〜−1.4V、第1のカレント
スイッチ回路30のノードN30の電圧は−1.6V〜
−1.9V、第2のカレントスイッチ回路50のノード
N40の電圧は−2.47Vとなる。これにより、第2
のカレントスイッチ回路50の出力ノードN55,N5
6の出力電圧は−2.47V〜−3.07V、出力端子
Q3,Q4の出力電圧は−3.27V〜−3.87V、
及び第2のカレントスイッチ回路50のノードN50の
電圧は−4.07V〜4.37Vとなる。図1の定電流
源回路60として、例えば図3のような回路を使用すれ
ば、図1のクランプ用トランジスタ40と図3のトラン
ジスタ60b以外の全てのバイポーラトランジスタは、
そのベース・コレクタ接合間が逆バイアスされないの
で、常に非飽和領域で動作する。クランプ用トランジス
タ40及び定電流源回路60内のトランジスタ60b
は、ベース・コレクタ接合間に−0.23Vの逆バイア
スが印加されるため、浅い飽和領域で動作する。しか
し、図1のECLゲート回路における高速動作に、何等
支障がないことが確認されている。
【0015】以上のように、本実施例では、次のような
利点を有している。従来の図2のECLゲート回路で
は、例えば、電源電位VEEが−5.2Vで1組のカレン
トスイッチ回路10を動作させている。これに対し、本
実施例では、2組のカレントスイッチ回路30,50が
クランプ用トランジスタ40を介して直列に接続されて
いるので、例えば、電源電位VEEとして−5.2Vでそ
れら2組のカレントスイッチ回路30,50を独立に動
作させることができ、2組のゲート回路を構成すること
が可能となる。そのため、カレントスイッチ回路30,
50を流れる電流による1ゲート当りの消費電力は、従
来と比較して1/2になるので、1ゲート当りの消費電
力を減少できる。しかも、第1と第2のカレントスイッ
チ回路30,50をクランプ用トランジスタ40を介し
て直列接続する構成であるため、回路構成も簡単であ
る。なお、本発明は上記実施例に限定されず、例えば、
図1のECLゲート回路を構成するバイポーラトランジ
スタをPNP型トランジスタ等の他のトランジスタに構
成にしたり、入力トランジスタ31〜33,51〜53
の数を図示以外の任意の数にしたり、あるいは図3の定
電流源回路60を他のトランジスタ構成にする等、種々
の変形が可能である。
【0016】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、第1と第2のカレントスイッチ回路がクランプ用
トランジスタを介して直列に接続された構成になってい
るので、所定の電源電位によって第1と第2のカレント
スイッチ回路を同一の電流が流れ、それら2組のカレン
トスイッチ回路を独立に論理動作をさせることができ、
2組のゲート回路を構成することができる。従って、第
1及び第2のカレントスイッチ回路を流れる電流による
1ゲート当りの消費電力は、従来と比較して1/2にな
り、消費電力量を減少できる。しかも、クランプ用トラ
ンジスタを介して第1と第2のカレントスイッチ回路を
直列に接続したので、該クランプ用トランジスタによっ
て定電圧化された電圧が第2のカレントスイッチ回路に
印加され、その電圧によって該第2のカレントスイッチ
回路が切換え動作をする。従って、比較的簡単な回路構
成により、第1と第2のカレントスイッチ回路が安定し
た論理動作を行う。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示すECLゲート回路の回路
図である。
【図2】従来のECLゲート回路の回路図である。
【図3】図1中の定電流源回路の回路図である。
【符号の説明】
30,50 第1,第2のカ
レントスイッチ回路 31〜33,51〜53 入力トランジス
タ 34,54 基準トランジス
タ 40 クランプ用トラ
ンジスタ 41,42,61,62 エミッタフォロ
ア回路 41a,42a,61a,62a エミッタフォロ
アトランジスタ 60 定電流源回路 N35,N36,N55,N56 出力ノード Q1,Q2,Q3,Q4 出力端子 VC 固定電位 VCC 高電位側の電源
電位 VEE 低電位側の電源
電位 Vth1,Vth2 基準電位
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 19/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エミッタが共通接続された複数のトラン
    ジスタを有し、それらのベース入力によって電流経路が
    切換えられる第1のカレントスイッチ回路と、 前記第1のカレントスイッチ回路の出力信号に基づき出
    力負荷を駆動する第1のエミッタフォロア回路と、 ベースに固定電位が印加されるクランプ用トランジスタ
    と、 エミッタが共通接続された複数のトランジスタを有し、
    それらのベース入力によって電流経路が切換えられる第
    2のカレントスイッチ回路と、 前記第2のカレントスイッチ回路の出力信号に基づき出
    力負荷を駆動する第2のエミッタフォロア回路と、 定電流を流す定電流源回路とを備え、 前記第1のカレントスイッチ回路、クランプ用トランジ
    スタ、第2のカレントスイッチ回路、及び定電流源回路
    の順に、それらを第1と第2の電源電位間に直列接続し
    て構成したことを特徴とするECLゲート回路。
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