JP3687422B2 - インターフェース回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体回路であるインターフェース回路に関し、詳しくは、一般には電圧トレラント回路と呼ばれているものであり、回路内部の電源電位とは異なる、より高電位の電位を外部から受ける可能性のある入出力回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体回路(IC)は、数百万ゲートを超えるトランジスタ数、および500を超える半導体実装のピン数を使用し、ロジック、メモリ、CPU、アナログセル等、これまで別々のチップで構成されていたものが、一つのチップでシステムを構成することができるようになった。
【0003】
また、半導体のプロセス技術においても、0.8um、0.65umといったサブミクロンプロセスから、更なる高集積、高速度、低消費電力等の要求に応えられる0.35um、0.25umといったディープサブミクロンプロセスに移行している。さらに、多くの会社で0.18um、0.15um及び0.13umといった更なる微細プロセスの開発をしている。
【0004】
このように、プロセスの加工寸法が微細になるにつれて、ゲート絶縁膜厚も微細化された。これにより、高速化が可能となった代わりに、ゲート絶縁膜耐圧の限界電圧が低下した。つまり、従来一般的であったICの電源電圧である5Vに対する品質の保証をすることができなくなった。また、低消費電力化に一番効果的であるのが、電源電圧を低くすることであるので、ICの電源電圧は、サブミクロンプロセスまでの5Vからディープサブミクロンプロセスでは、3.3Vが主体となった。
【0005】
しかし、ICの周辺機器全てが、3.3Vに移行できていない現状においては、5Vと3.3Vの、両方の電圧のインターフェースが必要となる。たとえば、パーソナルコンピュータ用のPCIカードやSCSIカードのように、IC自体は3.3V単一電源ではあるが、そのカードを接続するバスラインにつながっている他のカードの電源電圧が3.3Vと5Vとの両方の場合が考えられる。このような場合は、3.3V単一電源のICに対し、3.3V信号と5V信号のどちらの信号が入力されても、問題の起こらないインターフェース回路が要求されるであろう。
【0006】
さらに、0.25um以下のプロセスになると、3.3Vの電圧保証も難しくなり、電源電圧は2.5Vまたは2V、さらには2V以下へと下がっていくことは必至である。
【0007】
それでは、図1a及び図1bを用いて、従来のインターフェース回路としての入出力回路において、電源電圧3.3VのICに5Vを印可したときにどのような問題が起こるかを以下に説明する。
【0008】
図1aは、入出力回路のドライバー部の断面図を示し、図1bは、その等価回路図である。Nウエル103上に作られたP型トランジスタ101のドレインと基板としてのNウエル103との間にダイオード102が形成される。Pウエル108上に作られたN型トランジスタ106のドレインと基板としてのPウエル108との間にダイオード107が形成される。これらのダイオード102及び107は、トランジスタをこのように構成することにより、必ずできてしまう寄生ダイオードであるため、ダイオード102及び107を作らないで、トランジスタだけを作ることはできない。
【0009】
P型トランジスタ101のソースとNウエル103は、電源(VDD)104に接続し、N型トランジスタ106のソースとPウエル108は、グランド電源(VSS)109に接続していることから、ダイオード102はパッド(PAD)105とVDD104間に、ダイオード107はPAD105とVSS109間に、それぞれ構成されることとなる。この等価回路を、図1bに示す。入出力回路が、入力状態の場合には、P型トランジスタ101のゲート電極をVDDの電位にし、N型トランジスタ106のゲート電極をVSSの電位にすることにより、各トランジスタをオフ状態とする。これにより、PAD105に入力された信号とのショートを防ぐことができる。しかし、PAD105にVDDより大きな信号が印可されると、ダイオード102を介して、PAD105とVDDとがショート状態となってしまう。つまり、3.3VのICに5Vを入力すると、5V信号と3.3V電源がショートしてしまう。これは、ICの誤動作や、最悪の場合はICの破壊を引き起こす。
【0010】
また、プルアップ抵抗もPADとVDD間に、P型トランジスタを接続して抵抗を構成していることから、同様の問題が起こってしまう。つまり、前述のように同じバスラインには、何種類もの各機能回路が接続されており、このバスラインのバスフローティングを防止するために、プルダウン抵抗またはプルアップ抵抗をつける必要がある。しかし、回路の内部電源よりも高い電源が外部から入力される可能性のある、いわゆるトレラント回路においては、上記の理由でプルアップ抵抗をつけられず、プルダウン抵抗を用いる回路しか実現できなかった。
【0011】
上記の主に電流リークの問題を解決するために、USP5,151,619(特公平7−118644号)、USP4,782,250(特公平7−79232号)及びUSP5,721,508には、インターフェース回路を構成するP型トランジスタのうちの幾つかのトランジスタを、フローティングNウエル上に構成することが記載されており、USP5,144,165(日本特許第2547491号)及びUSP4,963,766(特開平3−116316号)には、インターフェース回路を構成するP型トランジスタのうちの幾つかのトランジスタを、5V電源に接続されたNウエル上に構成することが記載されており、USP5,512,844(特開平8−32434号)、USP5,546,020(特開平8−8715号)及びUSP5,576,635には、電流リークを防止するためにトランスミッションゲート回路を用いることが記載されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来技術では、内部電源電圧と、内部電源電圧よりも高い電圧が外部から印可される可能性のあるいわゆる電圧トレラント回路としてのインターフェース回路において、どのような入力状態及びどのような出力状態、つまり信号入出力時における考えられる全ての電圧遷移状態において、実質的に問題となる電流リークを防止できていないという問題点があった。
【0013】
また、従来の技術では、P型トランジスタにより構成されるプルアップ抵抗付きの電圧トレラント回路としてのインターフェース回路の実現ができなかった。
【0014】
そこで、本願発明は、内部電源電圧と、回路の内部電源電圧よりも高い電圧が外部から印可される可能性のある、いわゆる電圧トレラント回路としてのインターフェース回路において、信号入出力時における考えられるどのような電圧遷移状態においても、全ての場合において、実質的に問題となる電流リークを防止することができる、より高品質、高付加価値のインターフェース回路を提供することを目的とする。
【0015】
また、本願発明は、回路の内部電源電圧と、内部電源電圧よりも高い電圧が外部から印可される可能性のある、いわゆる電圧トレラント回路としてのインターフェース回路において、信号入出力時における考えられるどのような電圧遷移状態においても、全ての場合において、問題となる電流リークを防止することができる、より高品質、高付加価値のプルアップ抵抗付きのインターフェース回路を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本願発明のインターフェース回路は、例えば、
(1)第1電位からなる第1電源(Vdd)を供給する端子と、
(2)第1電位よりも低い第2電位からなる第2電源(Vss)を供給する端子と、
(3)データ信号を入力として受け取る第1駆動回路(P8,N2)と、
(4)前記第1駆動回路(P8,N2)からの出力信号を、第1ノード(ノードa)を介して入力として受け取る第2駆動回路(P1,N1)と、
(5)前記第2駆動回路(P1,N1)の出力部と電気的に接続された入出力パッドと、
(6)前記第1電源(Vdd)及び前記第2電源(Vss)と電気的に接続された第2ノード(ノードb)と、
(7)外部から前記入出力パッドに、前記第2電源(Vss)と等しいかまたはほぼ等しい電位が印可された場合に、前記第2ノード(ノードb)を前記第2電位とすることにより、前記第1駆動回路(P8,N2)の状態を制御する保護回路(N3)と、
を有することを特徴とする。
【0017】
このように、本願発明は、例えば3.3Vの内部電源電圧と、回路の内部電源電圧よりも高い、例えば5Vの電圧が外部から印可される可能性のある、いわゆる電圧トレラント回路としてのインターフェース回路において、どのようなモードにおいても、つまり信号出力モーと及び信号入力モードのような信号入出力時においても、また考えられるどのような電圧遷移状態においても、つまり0Vと3.3Vと5Vとの、どのような順番の組み合わせでの入力でも、全ての場合において、内部回路のフローティング状態を解消することにより、実質的に問題となる電流リークを防止するものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
まず、図2に基づいて説明する。この図2は、本願発明の基本的な特徴を、特に図4との比較において、説明するための図である。
【0019】
パッド(PAD)は、外部からの信号入出力に用いるものである。ポートAはデータ信号を示している。ポートEはイネーブル信号を示しており、ロー(「0」)状態が出力モードを示し、ハイ(「1」)状態が入力モードを示すものである。ポートXは入力モードの時に、PAD電位(入力信号)を内部回路へ伝える出力ポートである。VDDは電源電圧(正確には、VDD電位を供給する端子)であり、たとえば3.3Vを示し、VSSはグラウンド電源電圧(正確には、VSS電位を供給する端子)であり、たとえば0Vを示し、VDSUB2はフローティングNウエルの電位(正確には、フローティングNウエルの電位を供給する端子)を示す。RIは抵抗であり、L1〜L7はロジック回路である。そのうち、L1,L2,L3,L5及びL7はインバータであり、L6はNORゲートであり、L4はNANDゲートである。P1〜P8は、P型トランジスタであり、その全てのトランジスタがフローティングNウエル上に形成されている。N1、N2及びN4〜N8は、N型トランジスタである。node(ノード)aは、P1のゲートとP5のドレインとの接続部に形成され、node(ノード)bは、P6のゲートとP7のドレインとN7のドレインとN8のドレインとの接続部に形成される。また、P1及びN1を駆動回路(ドライバー)といい、P8及びN2を前置駆動回路(プリドライバー)という。
【0020】
次に図2を構成する各トランジスタの役割を説明する。
【0021】
<図2−説明1:P1〜P7>
P1〜P7までの7つのP型トランジスタをフローティングNウエル上に形成する。
【0022】
このようにP型トランジスタをフローティングNウエル上に構成する。これにより、図3の等価回路に示すように、P型トランジスタのソースとドレイン間にVDSUB2(フローティングNウエル)を中心に対抗する2つのダイオードが構成されることになる。
【0023】
したがって、ドレインにソースの電位より高い5Vが印可されても、VDSUB2とソース間のダイオードがあるため、ドレインからソースに流れる電流経路を遮断することができる。つまり、リーク電流の発生を防止できる。
【0024】
<図2−説明2:P2>
P2のP型トランジスタにより、VDSUB2を5Vまでチャージする。
【0025】
P2により、PADとVDSUB2間を接続している。また、P2のゲートがVDDにつながっていることから、PADに0Vまたは3.3Vを印可してもP2はオフ状態にある。しかし、PADに5Vが入力された場合は、ドレインとゲート間にVtp(P型トランジスタのスレッショルド電圧を示し、一般には0.8V程度)以上の電位差があるため、P2はオン状態となる。
【0026】
このようにP2の存在により、PADに入力された5Vと同電位にVDSUB2をチャージすることができる。このP2がない場合には、VDSUB2はP1のP型トランジスタの寄生ダイオードを介して、入力された5Vより、そのダイオードのVF(ダイオードのしきい値電圧)だけ低い電位までしか、チャージされないこととなる。
【0027】
<図2−説明3:P5>
P5のP型トランジスタにより、P1のP型トランジスタ(ドライバーともいう)のオフ状態を確保する。
【0028】
P5により、P1のゲートとVDSUB2を接続している。P5のゲートがVDDにつながっていることから、PADに5Vが入力されVDSUB2が5Vになった時、つまり、ゲートにVDD、つまり3.3Vが印可されていて、ソースに5Vが印可されている状態となるので、ゲートとソースとの電位差が、トランジスタのしきい値電圧(一般には0.8V程度)以上の値となるので、このような状況の時、P5はオン状態となる。これにより、ノードaが5Vとなり、P1のゲートを5Vにすることができる。このようにP5の存在により、P1のゲートを5Vにするということは、P5が、双方向入出力回路の出力ドライバーであるP1のP型トランジスタをオフ状態にする役割を果たしているといえる。
【0029】
一般には、双方向入出力回路の入力モードでは、P型トランジスタ(ドライバーともいう)のP1のゲートには3.3Vが供給され、N型トランジスタ(ドライバーともいう)のN1のゲートには0Vが供給され、両トランジスタともオフ状態になっている。5Vが入力されている時も、当然入力モードであるからP1及びN1のトランジスタはオフ状態でなければならない。しかし、PADに5Vが入力された場合は、P1のゲートが3.3Vでドレインが5Vのため、P1はオン状態となってしまう。これにより、ショート状態にならないまでも、PADとVDD間が接続してしまい、フローティングNウエルによってダイオードを介した電流経路を遮断した効果がなくなってしまう。
【0030】
ところが、この図2の例では、P5の存在により、上述のようにPADに5Vが入力された場合には、P1のゲートを5Vにするので、P1のドレインが5Vとなっても、確実にP1をオフ状態とすることができ、電流のリークを防止できるものである。
【0031】
<図2−説明4:P6及びP7>
P6及びP7のP型トランジスタにより、プリドライバー部の電流リークを遮断する。
【0032】
通常は、P8及びN2とにより構成されるインバータ(プリドライバー)により、P1のドライバーを制御する。しかし、前述のようにP5によって、ノードaが5Vに引き上がることにより、P1の場合と同様なトランジスタを介した電流リーク経路が、プリドライバー部であるP8にもできてしまう。このように、PADへの5V入力に対する電流リーク経路の遮断対策は、ドライバー部からプリドライバー部へというように、その前段の回路へと随時推移していってしまう。このような電流リーク経路対策を各P型トランジスタに施すことは、ポートAからPADまでの伝播遅延時間を長くしてしまうことになり、高速動作対応をできなくしてしまう。
【0033】
このことを防止するために、P6を、P8とノードaとの間に挿入することによって、電流リークの遮断対策の経路をポートAからPADまでの伝播遅延経路からそらすことができる。つまり、P8とN2とからなる回路の前段の回路であるL5のインバーターには、5V入力による電流リーク対策を施す必要が無くなるのである。
【0034】
また、P5と同じ働きをP6に対して行う、P7を設けることにより、プリドライバー部(ノードa)の電流リーク経路を遮断することができる。つまり、外部から5Vの入力があった場合には、前述のP5のように、ゲートに印可される電圧とソースに印可される電圧との電位差によりP7がオン状態となりノードbが5Vに引き上がることによって、P6は確実にオフ状態となる。これにより、プリドライバー部における電流リーク経路が確実に遮断されることとなるのである。
【0035】
<図2−説明5:N1、N2及びN4〜N7>
N1、N2及びN4〜N7のN型トランジスタにより、不安定状態を削減する。
【0036】
まず、不安定状態とは、例えばノードbがフローティング状態となることである。ノードbがフローティング状態となるということは、P6がオン状態またはオフ状態のどちらの状態になるか分からないという事態である。これは、ICにとって不安定な状態であり、すなわち電流リーク経路ができ易い状態といえる。ここでは、最初にノードbの状態から説明する。
【0037】
P6のP型トランジスタは、ICの安定動作を保証するためには、つまり理想的には以下の状態である必要がある。
【0038】
・入力モードにおいて、5V入力時 : P6はオフ状態 → ノードb : 5V
・その他のモード : P6はオン状態 → ノードb : 0V
しかし、図2の場合は、次のような状態となる。
【0039】
入力モード(ポートEがハイ状態)で、PADに5Vが入力された時は、P7がオン状態となる。これにより、P6のゲート電位であるノードbは5Vになるので、P6はオフ状態となる。
【0040】
その他のモードにおいて、ノードbは以下の状態である。
【0041】
・出力モード(ポートEがロー状態) : N8のN型トランジスタがオンするため、ノードbは0Vとなる。
【0042】
・入力モード、0V入力時 : 入力0Vの前の入力電位状態により、次の3つの場合に分けられる。
【0043】
入力電位が0V→3.3V→0Vと遷移した場合 : N4〜N7がオン状態及びP7がオフ状態なので、ノードbは3.3V−4×Vtn(N型トランジスタのしきい値電圧、一般には0.7V程度)となる。
【0044】
入力電位が5V→3.3V→0Vと遷移した場合 : N8がオフ状態であり、N7がオフ状態のまま(5V入力による、詳細は後述の記載を参照)なので、ノードbはフローティング状態となる。
【0045】
入力電位が5V→0Vと遷移した場合 : 上記の(2)の場合と同様に、ノードbはフローティング状態となる。
【0046】
・入力モード、3.3V入力時 : 入力3.3Vの前の入力電位状態により、次の2つの場合に分けられる。
【0047】
入力電位が0V→3.3Vと遷移した場合: N8及びP7がオフ状態であるが、N4〜N7がオン状態なので、ノードbは3.3V−4×Vtn(N型トランジスタのしきい値電圧、一般には0.7V程度)の状態となる。
【0048】
入力電位が5V→3.3Vと遷移した場合:N8がオフ状態であり、N7がオフ状態のまま(5V入力による、詳細は後述の記載を参照)なので、ノードbはフローティング状態となる。
【0049】
以上の入力モード3.3Vの場合において、上記(1)の場合は、それよりも前の入力電位状態が5Vであれば、上記(2)と同様にノードbはフローティング状態となってしまう。
【0050】
ICにおいて、トランジスタのゲート電位がフローティング状態になるということは、動作の保証ができなくなる場合が生じるということを意味する。よって、入力モードにおける入力電圧が、高電位から0Vまたは3.3Vになる場合、つまり5V→3.3Vとなる場合、5V→0Vになる場合、5V→3.3V→0Vとなる場合の3つの場合において、この図2のインターフェース回路となる入出力回路にとって、不安定な状態といえる。これは、ノードbのフローティング状態から起こる不安定さである。ただし、他の状態では、きわめて安定した動作を示している。
【0051】
ノードbが不安定となるということは、P6がオン状態またはオフ状態のどちらの状態となるか分からない、ことを意味する。したがって、3.3Vの入力時において、P6がオフ状態となった場合には、ノードaもフローティング状態となってしまう。これにより、P1のP型トランジスタ(ドライバー)がオン状態になってしまう可能性がある。つまり、PADとVDDが接続してしまう可能性がでてくるわけである。
【0052】
そこで、N4〜N7の4つのN型トランジスタは、ノードbの不安定(フローティング)状態を削減するために構成した回路である。
【0053】
VDDにN型トランジスタのN4を接続してあることから、N4のドレイン電位はVDDからVtn(N型トランジスタのしきい値電圧、一般的には0.7V程度)だけ低い電圧までしかチャージすることができない。N5からN7までの3段のN型トランジスタも、各ゲート電極をソース電位につないでいることから、各ドレイン電位は、ソース電位からVtnだけ低い電圧となる。これにより、ノードbはVDDよりVtn4段分低い電位となる。この電位は、0VにはならないがP6にとってロー電位と認識するのに十分な低い電位である。したがって、N4〜N7のN型トランジスタがオンすることにより、P6をオン状態とさせ、ノードaを3.3Vに固定することができる。
【0054】
ここで、N型トランジスタのしきい値電圧が一般的には0.7V程度であることから、N4〜N7に相当するトランジスタの段数としては、2段以上及び4段以下が好ましい。図2においては、4段とした。これは、P6を確実にオン状態とするために、別の言い方をするとノードbをより0Vに近づけるために4段とした。これ以上段数が多いと、ノードbを0Vに近づけるスピードが遅くなってしまう。また、この段数が少なすぎるとP6のコントロール、さらにノードaのコントロールがし難くなってしまう。
【0055】
また、この図2の回路は、N4のゲートがL3のインバータにより制御されており、L3がポートEからの信号により制御されている。よって、N8がオン状態にある時は、N4はオフ状態にあり、VDDからVSSにショート電流が流れることはない。さらに、仮にAC動作時において、コンテンションが起こった場合にも、N4〜N7の4段の接続により、トランジスタの能力は非常に低下していることから、10uA程度しかショート電流は流れない。
【0056】
次に、PADに5Vが入力された場合は、P7がオン状態となることによって、ノードbは5Vとなる。この時、N4〜N6の3つのN型トランジスタはオン状態であるが、N7のドレイン電位(ノードb)がゲート電位より高い5Vであることから、N7はオフ状態となる。これにより、VDSUB2からVDDへのリーク経路を遮断することができる。これが、入力電位として5Vが入力されて、その後0Vなり、3.3Vが入力されると、このN7がオフ状態となっていることから、ノードbをフローティング状態とする原因となる。このように、一旦オフ状態となったN7により、ノードbは、再度5Vが入力されるか、または出力モードとならない限りフローティング状態のままである。
【0057】
このように、N7のN型トランジスタは、一旦オフ状態となった場合は、ノードbが0V(実際には、N7のゲート電位よりしきい値電圧Vtn分低い電位)にならないとオン状態に復帰することはない。これは、N4〜N7の回路が、前述のように入力モードにおいて以下のように動作することを意味する。
【0058】
・0Vから3.3Vになった場合 : ノードbをロー電位に保持する。
【0059】
・5Vから3.3Vになった場合 : ノードbはフローティング状態。
【0060】
よって、N4〜N7の回路は、ノードbにおける2つの不安定状態のうち、1つの条件を解決した回路といえる。
【0061】
<図2−説明6:P3及びP4>
P3及びP4により、VDSUB2を3.3Vに固定する。
【0062】
出力モードにおいては、一切の信号入力を考慮する必要がないため、VDSUB2はVDDと同電位に固定されたほうがいい。この「一切の信号入力を考慮する必要がない」という意味は、通常、図2のようなインターフェース回路としての入出力回路のパッドは、その先でデータバス等に接続されている。そのデータバスは、他にも各種回路が接続されているが、一度に1つの回路しかオンさせないという概念となっているからである。
【0063】
VDSUB2をVDDと同電位に固定するための役割を果たしているのが、P3及びP4のP型トランジスタである。P1及びN1からなるドライバーは、出力モードにおいて、ノードaまたはPADのどちらか一方が必ず0Vになる。よって、ノードaが0Vの時は、P4がオン状態となり、VDSUB2をVDD電位にチャージする。また、PADが0Vの時は、P3がオン状態となり、VDSUB2をVDD電位にチャージすることになる。
【0064】
ここで、P3のゲートは、PADから直接信号を受け取るために、PADに静電気が印可された場合に破壊されやすくなる。よって、L1のインバータの入力と同様に、RIの保護抵抗を介してPADとP3のゲートとを接続し、静電気によるゲート絶縁膜の破壊を起こりにくくしている。
【0065】
また、P3は、入力モードにおいて、PADに0Vが入力された時、VDSUB2をVDD電位にチャージする役割も果たしている。
【0066】
以上述べた図2の回路の、各モード、各条件における、フローティングNウエル、ノードbの電位状態を次の表1にまとめる。
【0067】
【表1】
【0068】
次に、図4に基づいて説明する。図4は、図2を更に改良して、よりリーク電流を防止するインターフェース回路を示している。特に、図4では、図2と比較して、入力モードにおける入力電位0Vの状態でのリーク電流を確実に防止していることを特徴とする。
【0069】
図4において、図2と同様の構成を示すものは、以下に説明するように同様の符号をつけてある。パッド(PAD)は、外部からの信号入出力に用いるものである。ポートAはデータ信号を示している。ポートEはイネーブル信号を示しており、ロー(「0」)状態が出力モードを示し、ハイ(「1」)状態が入力モードを示すものである。ポートXは入力モードの時に、PAD電位(入力信号)を内部回路へ伝える出力ポートである。VDDは電源電圧(正確には、VDD電位を供給する端子)であり、たとえば3.3Vを示し、VSSはグラウンド電源電圧(正確には、VSS電位を供給する端子)であり、たとえば0Vを示し、VDSUB2はフローティングNウエルの電位(正確には、フローティングNウエルの電位を供給する端子)を示す。RIは抵抗であり、L1〜L7はロジック回路である。そのうち、L1,L2,L5及びL7はインバータであり、L3及びL6はNORゲートであり、L4はNANDゲートである。P1〜P8は、P型トランジスタであり、その全てのトランジスタがフローティングNウエル上に形成されている。N1〜N8は、N型トランジスタである。node(ノード)aは、P1のゲートとP5のドレインとの接続部に形成され、node(ノード)bは、P6のゲートとP7のドレインとN3のドレインとN7のドレインとN8のドレインとの接続部に形成される。また、P1及びN1を駆動回路(ドライバー)といい、P8及びN2を前置駆動回路(プリドライバー)という。以上より、図2と図4との違いは、N3のN型トランジスタの有無である。
【0070】
次に図4を構成する各トランジスタの役割を説明する。
【0071】
<図4−説明1:P1〜P7>
P1〜P7までの7つのP型トランジスタをフローティングNウエル上に形成する。
【0072】
このようにP型トランジスタをフローティングNウエル上に構成する。これにより、図3の等価回路に示すように、P型トランジスタのソースとドレイン間にVDSUB2(フローティングNウエル)を中心に対抗する2つのダイオードが構成されることになる。
【0073】
したがって、ドレインにソースの電位より高い5Vが印可されても、VDSUB2とソース間のダイオードがあるため、ドレインからソースに流れる電流経路を遮断することができる。つまり、リーク電流の発生を防止できる。
【0074】
<図4−説明2:P2>
P2のP型トランジスタにより、VDSUB2を5Vまでチャージする。
【0075】
P2により、PADとVDSUB2間を接続している。また、P2のゲートがVDDにつながっていることから、PADに0Vまたは3.3Vを印可してもP2はオフ状態にある。しかし、PADに5Vが入力された場合は、ドレインとゲート間にVtp(P型トランジスタのスレッショルド電圧を示し、一般には0.8V程度)以上の電位差があるため、P2はオン状態となる。
【0076】
このようにP2の存在により、PADに入力された5Vと同電位にVDSUB2をチャージすることができる。このP2がない場合には、VDSUB2はP1のP型トランジスタの寄生ダイオードを介して、入力された5Vより、そのダイオードのVF(ダイオードのしきい値電圧)だけ低い電位までしか、チャージされないこととなる。
【0077】
<図4−説明3:P5>
P5のP型トランジスタにより、P1のP型トランジスタ(ドライバーともいう)のオフ状態を確保する。
【0078】
P5により、P1のゲートとVDSUB2を接続している。P5のゲートがVDDにつながっていることから、PADに5Vが入力されVDSUB2が5Vになった時、つまり、ゲートにVDD、つまり3.3Vが印可されていて、ソースに5Vが印可されている状態となるので、ゲートとソースとの電位差が、トランジスタのしきい値電圧(一般には0.8V程度)以上の値となるので、このような状況の時、P5はオン状態となる。これにより、ノードaが5Vとなり、P1のゲートを5Vにすることができる。このようにP5の存在により、P1のゲートを5Vにするということは、P5が、双方向入出力回路の出力ドライバーであるP1のP型トランジスタをオフ状態にする役割を果たしているといえる。
【0079】
一般には、双方向入出力回路の入力モードでは、P型トランジスタ(ドライバーともいう)のP1のゲートには3.3Vが供給され、N型トランジスタ(ドライバーともいう)のN1のゲートには0Vが供給され、両トランジスタともオフ状態になっている。5Vが入力されている時も、当然入力モードであるからP1及びN1のトランジスタはオフ状態でなければならない。しかし、PADに5Vが入力された場合は、P1のゲートが3.3Vでドレインが5Vのため、P1はオン状態となってしまう。これにより、ショート状態にならないまでも、PADとVDD間が接続してしまい、フローティングNウエルによってダイオードを介した電流経路を遮断した効果がなくなってしまう。
【0080】
ところが、この図4の例では、P5の存在により、上述のようにPADに5Vが入力された場合には、P1のゲートを5Vにするので、P1のドレインが5Vとなっても、確実にP1をオフ状態とすることができ、電流のリークを防止できるものである。
【0081】
<図4−説明4:P6及びP7>
P6及びP7のP型トランジスタにより、プリドライバー部の電流リークを遮断する。
【0082】
通常は、P8及びN2とにより構成されるインバータ(プリドライバー)により、P1のドライバーを制御する。しかし、前述のようにP5によって、ノードaが5Vに引き上がることにより、P1の場合と同様なトランジスタを介した電流リーク経路が、プリドライバー部であるP8にもできてしまう。このように、PADへの5V入力に対する電流リーク経路の遮断対策は、ドライバー部からプリドライバー部へというように、その前段の回路へと随時推移していってしまう。このような電流リーク経路対策を各P型トランジスタに施すことは、ポートAからPADまでの伝播遅延時間を長くしてしまうことになり、高速動作対応をできなくしてしまう。
【0083】
このことを防止するために、P6を、P8とノードaとの間に挿入することによって、電流リークの遮断対策の経路をポートAからPADまでの伝播遅延経路からそらすことができる。つまり、P8とN2とからなる回路の前段の回路であるL5のインバーターには、5V入力による電流リーク対策を施す必要が無くなるのである。
【0084】
また、P5と同じ働きをP6に対して行う、P7を設けることにより、プリドライバー部(ノードa)の電流リーク経路を遮断することができる。つまり、外部から5Vの入力があった場合には、前述のP5のように、ゲートに印可される電圧とソースに印可される電圧との電位差によりP7がオン状態となりノードbが5Vに引き上がることによって、P6は確実にオフ状態となる。これにより、プリドライバー部における電流リーク経路が確実に遮断されることとなるのである。
【0085】
<図4−説明5:N1〜N7>
N1〜N7のN型トランジスタにより、不安定状態を削減する。
【0086】
まず、不安定状態とは、例えばノードbがフローティング状態となることである。ノードbがフローティング状態となるということは、P6がオン状態またはオフ状態のどちらの状態になるか分からないという事態である。これは、ICにとって不安定な状態であり、すなわち電流リーク経路ができ易い状態といえる。ここでは、最初にノードbの状態から説明する。
【0087】
P6のP型トランジスタは、ICの安定動作を保証するためには、つまり理想的には以下の状態である必要がある。
【0088】
・入力モードにおいて、5V入力時 : P6はオフ状態 → ノードb :5V
・その他のモード : P6はオン状態 → ノードb : 0V
しかし、図4の場合は、次のような状態となる。
【0089】
入力モード(ポートEがハイ状態)で、PADに5Vが入力された時は、P7がオン状態となる。これにより、P6のゲート電位であるノードbは5Vになるので、P6はオフ状態となる。
【0090】
その他のモードにおいて、ノードbは以下の状態である。
【0091】
・出力モード(ポートEがロー状態) : N8のN型トランジスタがオンするため、ノードbは0Vとなる。
【0092】
・入力モード、0V入力時 : N3のN型トランジスタがオン状態となるため、ノードbは0Vとなる。この場合が、図2と比較した場合の、図4の特徴である。
【0093】
・入力モード、3.3V入力時 : N3、N8及びP7がオフ状態にあるので、ノードbはフローティング状態となる。
【0094】
ICにおいて、トランジスタのゲート電位がフローティング状態になるということは、動作の保証ができなくなる場合が生じるということを意味する。よって、入力モードにおける入力電圧が、3.3Vになる場合において、この図4のインターフェース回路となる入出力回路にとって、不安定な状態といえる。これは、ノードbのフローティング状態から起こる不安定さである。ただし、他の状態では、図2に比較しても、きわめて安定した動作を示している。これは、N型トランジスタであるN3の存在により、図4の回路にとって、図2の回路よりも安定動作が可能となるのである。
【0095】
ノードbが不安定となるということは、P6がオン状態またはオフ状態のどちらの状態となるか分からない、ことを意味する。したがって、3.3Vの入力時において、P6がオフ状態となった場合には、ノードaもフローティング状態となってしまう。これにより、P1のP型トランジスタ(ドライバー)がオン状態になってしまう可能性がある。つまり、PADとVDDが接続してしまう可能性がでてくるわけである。
【0096】
しかし、図2と比較して、ICの実使用上では、図4の回路はそれほど問題とならないと考えられる。なぜなら、図4において、この問題となるときのVDDとPADの電位は、両電位とも3.3Vであるからである。つまり、フローティングによりP1が不安定化となる現象は、ICのVDD(この場合3.3V)と、外部から入力されるVDD(この場合3.3V)の差分が起電力となるからであり、今回の場合は、この差はほとんど無いに等しいので、リーク電流も起こりにくいことになる。しかし、ICにとっては、好ましくない状態であることは確かである。
【0097】
そこで、N4〜N7の4つのN型トランジスタは、ノードbの不安定(フローティング)状態を更に削減するために構成した回路である。
【0098】
VDDにN型トランジスタのN4を接続してあることから、N4のドレイン電位はVDDからVtn(N型トランジスタのしきい値電圧、一般的には0.7V程度)だけ低い電圧までしかチャージすることができない。N5からN7までの3段のN型トランジスタも、各ゲート電極をソース電位につないでいることから、各ドレイン電位は、ソース電位からVtnだけ低い電圧となる。これにより、ノードbはVDDよりVtn4段分低い電位となる。この電位は、0VにはならないがP6にとってロー電位と認識するのに十分な低い電位である。したがって、N4〜N7のN型トランジスタがオンすることにより、P6をオン状態とさせ、ノードaを3.3Vに固定することができる。
【0099】
ここで、N型トランジスタのしきい値電圧が一般的には0.7V程度であることから、N4〜N7に相当するトランジスタの段数としては、2段以上及び4段以下が好ましい。図4においては、4段とした。これは、P6を確実にオン状態とするために、別の言い方をするとノードbをより0Vに近づけるために4段とした。これ以上段数が多いと、ノードbを0Vに近づけるスピードが遅くなってしまう。また、この段数が少なすぎるとP6のコントロール、さらにノードaのコントロールがし難くなってしまう。
【0100】
また、この図4の回路は、N4のゲートがL3のNORゲートにより制御されており、更にL3がPADとポートEからの信号により制御されている。よって、N3またはN8がオン状態にある時は、N4はオフ状態にあり、VDDからVSSにショート電流が流れることはない。さらに、仮にAC動作時において、コンテンションが起こった場合にも、N4〜N7の4段の接続により、トランジスタの能力は非常に低下していることから、10uA程度しかショート電流は流れない。
【0101】
次に、PADに5Vが入力された場合は、P7がオン状態となることによって、ノードbは5Vとなる。この時、N4〜N6の3つのN型トランジスタはオン状態であるが、N7のドレイン電位(ノードb)がゲート電位より高い5Vであることから、N7はオフ状態となる。これにより、VDSUB2からVDDへのリーク経路を遮断することができる。これが、入力電位として5Vが入力されて、その後3.3Vが入力された時に、このN7がオフ状態となっていることから、ノードbをフローティング状態とする原因となる。このように、一旦オフ状態となったN7により、ノードbは、次に0Vが入力されるか、再度5Vが入力されるか、または出力モードとならない限りフローティング状態のままである。この点、図4は、図2より優れているといえる。つまり、図4の回路では、前の入力電位如何によらず、入力電位0VでノードbをVSS(0V)とすることができるのに対して、図2は、前の入力電位が5Vの場合は、入力電位0Vでも、ノードbはフローティング状態のままである。
【0102】
このように、N7のN型トランジスタは、一旦オフ状態となった場合は、ノードbが0V(実際には、N7のゲート電位よりしきい値電圧Vtn分低い電位)にならないとオン状態に復帰することはない。これは、N4〜N7の回路が、前述のように入力モードにおいて以下のように動作することを意味する。
【0103】
・0Vから3.3Vになった場合 : ノードbをロー電位に保持する。
【0104】
・5Vから3.3Vになった場合 : ノードbはフローティング状態。
【0105】
よって、N4〜N7の回路は、ノードbにおける2つの不安定状態のうち、1つの条件を解決した回路といえる。
【0106】
<図4−説明6:P3及びP4>
P3及びP4により、VDSUB2を3.3Vに固定する。
【0107】
出力モードにおいては、一切の信号入力を考慮する必要がないため、VDSUB2はVDDと同電位に固定されたほうがいい。この「一切の信号入力を考慮する必要がない」という意味は、通常、図4のようなインターフェース回路としての入出力回路のパッドは、その先でデータバス等に接続されている。そのデータバスは、他にも各種回路が接続されているが、一度に1つの回路しかオンさせないという概念となっているからである。
【0108】
VDSUB2をVDDと同電位に固定するための役割を果たしているのが、P3及びP4のP型トランジスタである。P1及びN1からなるドライバーは、出力モードにおいて、ノードaまたはPADのどちらか一方が必ず0Vになる。よって、ノードaが0Vの時は、P4がオン状態となり、VDSUB2をVDD電位にチャージする。また、PADが0Vの時は、P3がオン状態となり、VDSUB2をVDD電位にチャージすることになる。
【0109】
ここで、P3のゲートは、PADから直接信号を受け取るために、PADに静電気が印可された場合に破壊されやすくなる。よって、L1のインバータの入力と同様に、RIの保護抵抗を介してPADとP3のゲートとを接続し、静電気によるゲート絶縁膜の破壊を起こりにくくしている。
【0110】
また、P3は、入力モードにおいて、PADに0Vが入力された時、VDSUB2をVDD電位にチャージする役割も果たしている。
【0111】
以上述べた図4の回路により、3.3Vが出力でき、更に5Vが入力されても問題の無い、かつ実質的に電流リークの問題も無い双方向の入出力回路等のインターフェース回路を構成することができる。図4における、各モード、各条件における、フローティングNウエル、ノードbの電位状態を次の表2にまとめる。
【0112】
【表2】
【0113】
次に、図5に基づいて説明する。図5は、図4に一つの間トランジスタを追加して、図4では発生する、ある状態のときのVDSUB2のフローティング状態を解消するインターフェース回路である。その他の特徴及び性能は、図4と同じである。
【0114】
図5において、図4と同様の構成を示すものは、以下に説明するように同様の符号をつけてある。パッド(PAD)は、外部からの信号入出力に用いるものである。ポートAはデータ信号を示している。ポートEはイネーブル信号を示しており、ロー(「0」)状態が出力モードを示し、ハイ(「1」)状態が入力モードを示すものである。ポートXは入力モードの時に、PAD電位(入力信号)を内部回路へ伝える出力ポートである。VDDは電源電圧(正確には、VDD電位を供給する端子)であり、たとえば3.3Vを示し、VSSはグラウンド電源電圧(正確には、VSS電位を供給する端子)であり、たとえば0Vを示し、VDSUB2はフローティングNウエルの電位(正確には、フローティングNウエルの電位を供給する端子)を示す。RIは抵抗であり、L1〜L7はロジック回路である。そのうち、L1,L2,L5及びL7はインバータであり、L3及びL6はNORゲートであり、L4はNANDゲートである。P1〜P8及びP11は、P型トランジスタであり、その全てのトランジスタがフローティングNウエル上に形成されている。N1〜N8は、N型トランジスタである。node(ノード)aは、P1のゲートとP5のドレインとの接続部に形成され、node(ノード)bは、P6のゲートとP7のドレインとN3のドレインとN7のドレインとN8のドレインとP11のゲートとの接続部に形成される。また、P1及びN1を駆動回路(ドライバー)といい、P8及びN2を前置駆動回路(プリドライバー)という。以上より、図5と図4との違いは、P11のP型トランジスタの有無である。
【0115】
<図5−説明1:P11>
図5を構成する各トランジスタの役割は、P11のP型トランジスタの役割を除いて、前述の図4の場合と同様である。したがって、P11の役割についてのみ、ここで説明する。それ以外の各トランジスタの役割については、図4の説明を参照されたい。
【0116】
図4のインターフェース回路を示す入出力回路では、表2にあるように、入力モードで入力電位3.3Vの場合は、次の特性を示す。
【0117】
・入力モード、3.3V入力時、前の入力電位が0Vの場合 :
VDSUB2はフローティング(3.3V−VF)であり、
ノードbの電位は3.3V−4×Vtnである。
【0118】
入力モード、3.3V入力時、前の入力電位が5Vの場合 :
VDSUB2はフローティング(3.3V−VF)であり、
ノードbの電位はフローティングである。
【0119】
ここで、P11のP型トランジスタは、フローティングNウエル上に形成され、そのゲートがノードbに接続されており、そのソース及びドレインがそれぞれVDD電位及びVSUB2電位に接続されている。このP11のP型トランジスタの役割は、P3及びP4のP型トランジスタと同様に、VDSUB2電位をVDD電位に固定するものである。
【0120】
図5の入出力回路では、図4の回路と同様に、入力モードで入力電位が0Vの場合には、その前の電位の値如何によらず、ノードbの電位は必ず0Vとなる。したがって、上記に説明した入力モードで入力電位3.3Vの場合に、その前の入力電位が0Vの場合には、ノードbの電位が3.3V−4×Vtnとなり、P型トランジスタをオン状態とするには十分な値となる。このことから、P11のN型トランジスタは、入力モードで入力電位3.3Vの場合で、その前の入力電位が0Vの場合には、VDSUB2の電位をVDD電位、つまり3.3Vに固定することができる。
【0121】
これにより、図5の入出力回路は、図4のものと比較して、IC内部でのフローティング状態を少なくする機能を有するものである。
【0122】
図5における、各モード、各条件における、フローティングNウエル、ノードbの電位状態を次の表3にまとめる。
【0123】
【表3】
【0124】
次に、図6に基づいて説明する。図6は、プルアップ抵抗付きの入出力回路からなるインターフェース回路を示す。図6は、図4にプルアップ抵抗を追加して、図4では発生する、ある状態のときのフローティング状態を解消するインターフェース回路である。その他の特徴及び性能は、図4と同じである。
【0125】
図6において、図4と同様の構成を示すものは、以下に説明するように同様の符号をつけてある。パッド(PAD)は、外部からの信号入出力に用いるものである。ポートAはデータ信号を示している。ポートEはイネーブル信号を示しており、ロー(「0」)状態が出力モードを示し、ハイ(「1」)状態が入力モードを示すものである。ポートXは入力モードの時に、PAD電位(入力信号)を内部回路へ伝える出力ポートである。VDDは電源電圧(正確には、VDD電位を供給する端子)であり、たとえば3.3Vを示し、VSSはグラウンド電源電圧(正確には、VSS電位を供給する端子)であり、たとえば0Vを示し、VDSUB2はフローティングNウエルの電位(正確には、フローティングNウエルの電位を供給する端子)を示す。RIは抵抗であり、L1〜L7はロジック回路である。そのうち、L1,L2,L5及びL7はインバータであり、L3及びL6はNORゲートであり、L4はNANDゲートである。P1〜P10は、P型トランジスタであり、その全てのトランジスタがフローティングNウエル上に形成されている。N1〜N12は、N型トランジスタである。node(ノード)aは、P1のゲートとP5のドレインとの接続部に形成され、node(ノード)bは、P6のゲートとP7のドレインとN3のドレインとN7のドレインとN8のドレインとP10のゲートとの接続部に形成される。また、P1及びN1を駆動回路(ドライバー)といい、P8及びN2を前置駆動回路(プリドライバー)という。以上より、図6と図4との違いは、P9及びP10のP型トランジスタの有無、並びにN9〜N12のN型トランジスタの有無である。
【0126】
一般的に、プルアップ抵抗付きの入出力回路のようなインターフェース回路を、電圧トレラント回路に対応する回路とすることは、つまり今回の図6の回路とすることは、P型トランジスタを電圧トレラント回路に対応する回路、つまり図2、図4及び図5の回路とするよりも、困難な問題を含んでいる。
【0127】
なぜならば、ドライバーとしてのP型トランジスタは、入力モードにおいて常時オフ状態であるのに対し、プルアップ抵抗は、次の状態に対応する必要があるからである。
【0128】
・入力電位が0V〜3.3V : プルアップ抵抗がオン状態
・入力電位が3.3V〜5V : プルアップ抵抗がオフ状態
この問題を解決したのが、図6の、電圧トレラント回路としての入出力回路からなるのインターフェース回路である。
【0129】
また、図6を構成する各トランジスタの役割は、P9及びP10のP型トランジスタの役割、並びにN9〜N12のN型トランジスタの役割を除いて、前述の図4の場合と同様である。したがって、P9及びP10のP型トランジスタの役割、並びにN9〜N12のN型トランジスタの役割についてのみ、ここで説明する。それ以外の各トランジスタの役割については、図4の説明を参照されたい。
【0130】
<図6−説明1:P9及びP10>
P9及びP10のP型トランジスタをフローティングNウエル上に形成する。
【0131】
プルアップ抵抗用P型トランジスタであるP9と、電流リーク経路遮断用P型トランジスタであるP10を共にフローティングNウエル上に形成する。これにより、PADにP型トランジスタのドレインを直接接続しても、ダイオードによる電流リーク経路を遮断することができる。
【0132】
P9のP型トランジスタは、通常のプルアップ抵抗と同様に、出力モード時にオフ状態となり、入力モード時にオン状態となるよう、プリドライバー部の回路L6の出力により制御されている。
【0133】
入力モードにおいて、P9はオン状態となるが、5V入力時におけるPADとVDDのショート電流を防ぐため、P9とVDDの間にP10のP型トランジスタを設けている。つまり、入力モードにおいて、入力電位が5Vの場合には、ノートbは5Vとなる。P10のP型トランジスタのゲートは、ノードbに接続されているため、この5Vの入力時に、P10のP型トランジスタはオフ状態となるのである。これにより、PADとVDD間のショート電流を確実に防ぐことができる。
【0134】
<図6−説明2:N9〜N12>
N9〜N12のN型トランジスタにより、微少電流リーク経路を確保する。
【0135】
5V入力時以外は、P10はオン状態でなければならない。しかし、図4の状態を示す表2のように、5V入力から3.3V入力に切り変わった時に、ノードbはフローティング状態となっている。
【0136】
これでは、実際のIC使用時において、入力電位が5VからHZ(AC入力時)になった時に、プルアップ抵抗がオン状態とならないことになる。このような状態は、PADの電位が電流リーク等により、L1の入力インバータのロジックレベル以下に下がり、N3のN型トランジスタがオン状態となるまで続くことになる。
【0137】
このような不具合を解決するために、図6にあるN9〜N12までの4段のN型トランジスタを追加したのである。
【0138】
ここで、N12のN型トランジスタは、そのゲートがVDD電位に接続されているため、常時オン状態である。また、N9〜N11までの3段のN型トランジスタは、各ゲートを各ドレインに接続することにより、0Vまでにはならないがノードbの電位をVtn(一般には0.7V程度)の3段分高い電位(3×Vtn)まで引き下げることができる。この電位により、P10のP型トランジスタをオン状態とすることができる。つまり、ノードbの電位が(3×Vtn)電位(約2.1V程度)であり、この電位が(VDD−Vtp)、約2.5V(3.3−0.8)よりも低い値であれば、P10のP型トランジスタをオン状態とすることができるのである。これを式で表すと次のようになる。
【0139】
ノードbの電位 = 0+3×Vtn < VDD − 1 × Vtp
上の条件を満たせば、P10のP型トランジスタをオン状態とすることができる。図6の場合も、前述のように、ノードbの電位が約2.1Vであり、これはVDD−Vtpの値、約2.5Vよりも低い値なので、P10のP型トランジスタをオン状態とすることができる。
【0140】
これにより、入力モードにおいて、5V入力から3.3V入力への切り変わり時におけるノードbのフローティング状態を解消することができ、プルアップ抵抗をオン状態とすることができる。
【0141】
また、ノードbを0Vに近づけるためには、N9〜N12のN型トランジスタの段数を減らすことにより可能である。このようにする方が、P10のP型トランジスタをオン状態とするのには好条件となる。
【0142】
しかし、N9〜N12のN型トランジスタは、5V入力時においてもオン状態であることにより、このN9〜N12のN型トランジスタの存在により、P7のP型トランジスタを介して、VDSUB2からノードbを介してVSSにショート電流が流れてしまう。この時、VDSUB2をチャージしているのは、PADに入力された5V信号であるから、このチャージ電流は、そのまま入力電流リークとなってしまう。
【0143】
このような、入力電流リークを小さくするために、N9〜N12のような複数段のN型トランジスタが必要なのである。このN型トランジスタの段数を、4段よりも多い5段、6段と増やしていくことは、たとえ各トランジスタのしきい値電圧を小さく設定しても、ノードbの電位を高くし、しいては5V入力から3.3V入力への切り変わり時におけるP10のP型トランジスタのオン状態を確保できなくなる。
【0144】
図6の電圧トレラント回路としての入出力回路は、入力電流リーク値の規格を数uA単位にすることを考え、4段のN型トランジスタ構成とした。
【0145】
また、N9〜N12を介しての入力電流リークであるが、このリーク電流は、入力モードで5V入力時のみ流れるリーク電流であり、他のモード、条件では流れないものである。
【0146】
これにより、図6の入出力回路は、図4のものと比較して、入力モードで入力電位3.3Vの時、ノードbのフローティング状態を無くす機能を有するものである。
【0147】
以上述べた図6の回路により、3.3Vが出力でき、更に5Vが入力されても問題の無いことはもちろんとして、かつどのようなモード及びどのような条件においても、ノードbのフローティング状態を解消しているので、電流リークの問題が無い、プルアップ抵抗付きの双方向の入出力回路等のインターフェース回路を構成することができる。
【0148】
図6における、各モード、各条件における、フローティングNウエル、ノードbの電位状態を次の表4にまとめる。
【0149】
【表4】
【0150】
【発明の効果】
以上の述べた様に、本願発明によれば、内部の電源電圧よりも高電位の外部からの電位が印可される可能性のある、電圧トレラント回路としての入出力回路等のインターフェース回路において、3.3Vが出力でき、更に5Vが入力されても問題の無い、かつどのようなモード及びどのような条件においても、ノードbのフローティング状態を実質的に解消しているので、電流リークの問題が実質的に無い双方向の入出力回路等のインターフェース回路を構成することができる。
【0151】
また、プルアップ抵抗付きの電圧トレラント回路としての入出力回路等のインターフェース回路においても、3.3Vが出力でき、更に5Vが入力されても問題の無い、かつどのようなモード及びどのような条件においても、ノードbのフローティング状態を解消しているので、電流リークの問題が無い双方向の入出力回路等のインターフェース回路を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 aは、入出力回路のドライバー部の断面図を示す。bは、aの等価回路図を示す。
【図2】 本願発明を理解するためのインターフェース回路の説明回路図を示す。
【図3】 フローティングNウエル上に形成したP型トランジスタを示す図である。
【図4】 図2を更に改良して、よりリーク電流を防止するインターフェース回路を示している。
【図5】 図4に一つの間トランジスタを追加して、図4では発生する、ある状態のときのVDSUB2のフローティング状態を解消するインターフェース回路である。
【図6】 プルアップ抵抗付きの入出力回路からなるインターフェース回路を示す。
Claims (24)
- (1)第1電位からなる第1電源(Vdd)を供給する端子と、
(2)第1電位よりも低い第2電位からなる第2電源(Vss)を供給する端子と、
(3)データ信号を入力として受け取る第1駆動回路(P8,N2)と、
(4)前記第1駆動回路(P8,N2)からの出力信号を、第1ノード(ノードa)を介して入力として受け取る第2駆動回路(P1,N1)と、
(5)前記第2駆動回路(P1,N1)の出力部と電気的に接続された入出力パッドと、
(6)外部から前記入出力パッドに、前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記第1ノード(ノードa)を前記第1電位よりも高い電位とすることにより、前記第2駆動回路(P1,N1)をオフ状態とする第1保護回路(P2,P5)と、
(7)前記第1電源(Vdd)を供給する端子及び前記第2電源(Vss)を供給する端子と電気的に接続された第2ノード(ノードb)を有し、外部から前記入出力パッドに、前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記第2ノード(ノードb)を前記第1電位よりも高い電位とすることにより、前記第1駆動回路(P8,N2)をオフ状態とする第2保護回路(P2,P6,P7)と、
(8)外部から前記入出力パッドに、前記第2電源(Vss)と等しいかまたはほぼ等しい電位が印可された場合に、前記第2ノード(ノードb)を前記第2電位とすることにより、前記第1駆動回路(P8,N2)の状態を制御する第3保護回路(N3)と、
を有することを特徴とするインターフェース回路。 - 請求項1に記載のインターフェース回路において、前記第1保護回路(P2,P5)及び第2保護回路(P2,P6,P7)を構成しているトランジスタは、フローティングウェル上に存在していることを特徴とする。
- 請求項2に記載のインターフェース回路において、
(1)前記第1駆動回路(P8,N2)は、第1P型トランジスタ(P8)及び第1N型トランジスタ(N2)から構成されており、
(2)前記第2駆動回路(P1,N1)は、第2P型トランジスタ(P1)及び第2N型トランジスタ(N1)から構成されており、
(3)前記第1保護回路(P2,P5)は、外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、フローティングNウェルの電位をその第1電位よりも高い電位までチャージする第3P型トランジスタ(P2)と、前記第2P型トランジスタ(P1)をオフ状態とする第4P型トランジスタ(P5)とから構成されており、
(4)前記第2保護回路(P2,P6,P7)は、前記第1P型トランジスタ(P8)と前記第1ノード(ノードa)との間に配置され、そのゲート電極が前記第2ノード(ノードb)と電気的に接続されている第5P型トランジスタ(P6)と、前記第3P型トランジスタ(P2)と、外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記第5P型トランジスタ(P6)をオフ状態とする第6P型トランジスタ(P7)とから構成されており、
(5)前記第3保護回路(N3)は、そのゲート電極が前記入出力パッドに電気的に接続されており、そのソースが前記第2電源(Vss)を供給する端子に接続されており、そのドレインが前記第2ノード(ノードb)を介して前記第1電源(Vdd)を供給する端子に接続されている第3N型トランジスタ(N3)から構成されていることを特徴とする。 - 請求項3に記載のインターフェース回路において、外部から前記入出力パッドに印可される電位を入力とするゲート電極を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と前記第2ノード(ノードb)との間に構成された、直列に接続された複数のN型トランジスタ群(N4,N5,N6,N7)をさらに有することを特徴とする。
- 請求項4に記載のインターフェース回路において、前記複数のN型トランジスタ群は、2つ以上4つ以下であることを特徴とする。
- 請求項4に記載のインターフェース回路において、前記複数のN型トランジスタ群は、外部から前記入出力パッドに印可される電位に応じて、前記第2ノード(ノードb)の電位を、前記第1電源(Vdd)の第1電位より、前記複数のN型トランジスタ群を構成している各トランジスタのしきい値電圧の合計値を引いた電位とすることにより、前記第5P型トランジスタ(P6)をオフ状態にし、前記第1ノード(ノードa)を前記第1電源(Vdd)の第1電位に固定する働きを有するものであることを特徴とする。
- 請求項1に記載のインターフェース回路において、前記第2ノード(ノードb)に接続されたゲート電極を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と前記フローティングNウエルの電位を供給する端子との間に構成され、前記フローティングNウエル上に形成された第7P型トランジスタ(P11)をさらに有することを特徴とする。
- 請求項3に記載のインターフェース回路において、前記入出力パッドと前記第1電源(Vdd)を供給する端子との間に、直列に構成された第8P型トランジスタ(P9)と第9P型トランジスタ(P10)とを更に有し、前記第8P型トランジスタ(P9)及び前記第9P型トランジスタ(P10)は共に前記フローティングNウエル上に形成されており、前記第8P型トランジスタ(P9)のゲート電極は前記第2N型トランジスタ(N1)のゲート電極と接続されており、前記第9P型トランジスタ(P10)のゲート電極は前記第2ノード(ノードb)に接続されていることを特徴とする。
- (1)第1電位からなる第1電源(Vdd)を供給する端子と、
(2)第1電位よりも低い第2電位からなる第2電源(Vss)を供給する端子と、
(3)データ信号を入力として受け取る第1駆動回路(P8,N2)と、
(4)前記第1駆動回路(P8,N2)からの出力信号を、第1ノード(ノードa)を介して入力として受け取る第2駆動回路(P1,N1)と、
(5)前記第2駆動回路(P1,N1)の出力部と電気的に接続された入出力パッドと、
(6)前記第1電源(Vdd)及び前記第2電源(Vss)と電気的に接続された第2ノード(ノードb)と、
(7)外部から前記入出力パッドに、前記第2電源(Vss)と等しいかまたはほぼ等しい電位が印可された場合に、前記第2ノード(ノードb)を前記第2電位とすることにより、前記第1駆動回路(P8,N2)の状態を制御する保護回路(N3)と、
を有することを特徴とするインターフェース回路。 - 請求項9に記載のインターフェース回路において、前記保護回路(N3)は、そのゲート電極が前記入出力パッドに電気的に接続されており、そのソースが前記第2電源(Vss)を供給する端子に接続されており、そのドレインが前記第2ノード(ノードb)を介して前記第1電源(Vdd)を供給する端子に接続されている第3N型トランジスタ(N3)から構成されていることを特徴とする。
- 請求項10に記載のインターフェース回路において、さらに
(1)前記第1駆動回路(P8,N2)は、第1P型トランジスタ(P8)及び第1N型トランジスタ(N2)から構成されており、
(2)前記第2駆動回路(P1,N1)は、第2P型トランジスタ(P1)及び第2N型トランジスタ(N1)から構成されており、
(3)外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、フローティングNウェルの電位をその第1電位よりも高い電位までチャージする第3P型トランジスタ(P2)と、前記第2P型トランジスタ(P1)をオフ状態とする第4P型トランジスタ(P5)とから構成された第1保護回路(P2,P5)と、
(4)前記第1P型トランジスタ(P8)と前記第1ノード(ノードa)との間に配置され、そのゲート電極が前記前記第2ノード(ノードb)と電気的に接続されている第5P型トランジスタ(P6)と、前記第3P型トランジスタ(P2)と、外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記第5P型トランジスタ(P6)をオフ状態とする第6P型トランジスタ(P7)とから構成された第2保護回路(P2,P6,P7)と、
を有することを特徴とする。 - 前記請求項11に記載のインターフェース回路において、前記第2P型トランジスタ(P1)、前記第3P型トランジスタ(P2)、前記第4P型トランジスタ(P5)、前記第5P型トランジスタ(P6)及び前記第6P型トランジスタ(P7)は、前記フローティングNウェル上に存在していることを特徴とする。
- 請求項11に記載のインターフェース回路において、外部から前記入出力パッドに印可される電位を入力とするゲート電極を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と前記第2ノード(ノードb)との間に構成された、直列に接続された複数のN型トランジスタ群(N4,N5,N6,N7)をさらに有することを特徴とする。
- 請求項13に記載のインターフェース回路において、前記複数のN型トランジスタ群は、2つ以上4つ以下であることを特徴とする。
- 請求項13に記載のインターフェース回路において、前記複数のN型トランジスタ群は、外部から前記入出力パッドに印可される電位に応じて、前記第2ノード(ノードb)の電位を、前記第1電源(Vdd)の第1電位より、前記複数のN型トランジスタ群を構成している各トランジスタのしきい値電圧の合計値を引いた電位とすることにより、前記第5P型トランジスタ(P6)をオフ状態にし、前記第1ノード(ノードa)を前記第1電源(Vdd)の第1電位に固定する働きを有するものであることを特徴とする。
- 請求項9に記載のインターフェース回路において、前記第2ノード(ノードb)に接続されたゲート電極を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と前記フローティングNウエルの電位を供給する端子との間に構成され、前記フローティングNウエル上に形成された第7P型トランジスタ(P11)をさらに有することを特徴とする。
- 請求項11に記載のインターフェース回路において、前記入出力パッドと前記第1電源(Vdd)を供給する端子との間に、直列に構成された第8P型トランジスタ(P9)と第9P型トランジスタ(P10)とを更に有し、前記第8P型トランジスタ(P9)及び前記第9P型トランジスタ(P10)は共に前記フローティングNウエル上に形成されており、前記第8P型トランジスタ(P9)のゲート電極は前記第2N型トランジスタ(N1)のゲート電極と接続されており、前記第9P型トランジスタ(P10)のゲート電極は前記第2ノード(ノードb)に接続されていることを特徴とする。
- (1)第1電位からなる第1電源(Vdd)を供給する端子と、
(2)第1電位よりも低い第2電位からなる第2電源(Vss)を供給する端子と、
(3)データ信号を入力として受け取る、第1P型トランジスタ(P8)及び第1N型トランジスタ(N2)からなる第1駆動回路(P8,N2)と、
(4)前記第1駆動回路(P8,N2)からの出力信号を、第1ノード(ノードa)を介して入力として受け取る、第2P型トランジスタ(P1)及び第2N型トランジスタ(N1)からなる第2駆動回路(P1,N1)と、
(5)前記第2駆動回路(P1,N1)の出力部と電気的に接続された入出力パッドと、
(6)フローティングNウェル上に存在し、外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記フローティングNウェルの電位をその第1電位よりも高い電位までチャージする第3P型トランジスタ(P2)と、
(7)フローティングNウェル上に存在し、前記第2P型トランジスタ(P1)のゲート電極と前記フローティングNウェルとを、前記第1ノード(ノードa)を介して電気的に接続させる役割を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と電気的に接続されたゲート電極を備え、外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記第2P型トランジスタ(P1)をオフ状態とする第4P型トランジスタ(P5)と、
(8)フローティングNウェル上に存在し、前記第1P型トランジスタ(P8)と前記第1ノード(ノードa)との間に配置され、そのゲート電極が第2ノード(ノードb)と電気的に接続されている第5P型トランジスタ(P6)と、
(9)フローティングNウェル上に存在し、前記第5P型トランジスタ(P6)のゲート電極と前記フローティングNウェルとを電気的に接続させる役割を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と電気的に接続されたゲート電極を備え、外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記第5P型トランジスタ(P6)をオフ状態とする第6P型トランジスタ(P7)と、
(10)外部から前記入出力パッドに印可される電位を入力とするゲート電極を備え、外部から前記入出力パッドに前記第2電源(Vss)と等しいかまたはほぼ等しい電位が印可された場合に、前記第2ノード(ノードb)を前記第2電位とする第3N型トランジスタ(N3)と、
(11)外部から前記入出力パッドに印可される電位を入力とするゲート電極を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と前記第2ノード(ノードb)との間に構成された、直列に接続された複数のN型トランジスタ群(N4,N5,N6,N7)と、
を有することを特徴とするインターフェース回路。 - 請求項18に記載のインターフェース回路において、前記複数のN型トランジスタ群は、2つ以上4つ以下であることを特徴とする。
- 請求項18に記載のインターフェース回路において、前記複数のN型トランジスタ群は、外部から前記入出力パッドに印可される電位に応じて、前記第2ノード(ノードb)の電位を、前記第1電源(Vdd)の第1電位より、前記複数のN型トランジスタ群を構成している各トランジスタのしきい値電圧の合計値を引いた電位とすることにより、前記第5P型トランジスタ(P6)をオフ状態にし、前記第1ノード(ノードa)を前記第1電源(Vdd)の第1電位に固定する働きを有するものであることを特徴とする。
- 請求項18に記載のインターフェース回路において、前記第2ノード(ノードb)に接続されたゲート電極を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と前記フローティングNウエルの電位を供給する端子との間に構成され、前記フローティングNウエル上に形成された第7P型トランジスタ(P11)をさらに有することを特徴とする。
- 請求項18に記載のインターフェース回路において、前記入出力パッドと前記第1電源(Vdd)を供給する端子との間に、直列に構成された第8P型トランジスタ(P9)と第9P型トランジスタ(P10)とを更に有し、前記第8P型トランジスタ(P9)及び前記第9P型トランジスタ(P10)は共に前記フローティングNウエル上に形成されており、前記第8P型トランジスタ(P9)のゲート電極は前記第2N型トランジスタ(N1)のゲート電極と接続されており、前記第9P型トランジスタ(P10)のゲート電極は前記第2ノード(ノードb)に接続されていることを特徴とする。
- (1)第1電位からなる第1電源(Vdd)を供給する端子と、
(2)第1電位よりも低い第2電位からなる第2電源(Vss)を供給する端子と、
(3)データ信号を入力として受け取る、第1P型トランジスタ(P8)及び第1N型トランジスタ(N2)からなる第1駆動回路(P8,N2)と、
(4)前記第1駆動回路(P8,N2)からの出力信号を、第1ノード(ノードa)を介して入力として受け取る、第2P型トランジスタ(P1)及び第2N型トランジスタ(N1)からなる第2駆動回路(P1,N1)と、
(5)前記第2駆動回路(P1,N1)の出力部と電気的に接続された入出力パッドと、
(6)フローティングNウェル上に存在し、外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記フローティングNウェルの電位をその第1電位よりも高い電位までチャージする第3P型トランジスタ(P2)と、
(7)フローティングNウェル上に存在し、前記第2P型トランジスタ(P1)のゲート電極と前記フローティングNウェルとを、前記第1ノード(ノードa)を介して電気的に接続させる役割を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と電気的に接続されたゲート電極を備え、外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記第2P型トランジスタ(P1)をオフ状態とする第4P型トランジスタ(P5)と、
(8)フローティングNウェル上に存在し、前記第1P型トランジスタ(P8)と前記第1ノード(ノードa)との間に配置され、そのゲート電極が第2ノード(ノードb)と電気的に接続されている第5P型トランジスタ(P6)と、
(9)フローティングNウェル上に存在し、前記第5P型トランジスタ(P6)のゲート電極と前記フローティングNウェルとを電気的に接続させる役割を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と電気的に接続されたゲート電極を備え、外部から前記入出力パッドに前記第1電源(Vdd)の第1電位よりも高い電位が印可された場合に、前記第5P型トランジスタ(P6)をオフ状態とする第6P型トランジスタ(P7)と、
(10)外部から前記入出力パッドに印可される電位を入力とするゲート電極を備え、外部から前記入出力パッドに前記第2電源(Vss)と等しいかまたはほぼ等しい電位が印可された場合に、前記第2ノード(ノードb)を前記第2電位とする第3N型トランジスタ(N3)と、
(11)外部から前記入出力パッドに印可される電位を入力とするゲート電極を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と前記第2ノード(ノードb)との間に構成された、直列に接続された複数のN型トランジスタ群(N4,N5,N6,N7)と、
(12)共に前記フローティングNウエル上に形成されており、第8P型トランジスタ(P9)のゲート電極は前記第2N型トランジスタ(N1)のゲート電極と接続されており、第9P型トランジスタ(P10)のゲート電極は前記第2ノード(ノードb)に接続されている、前記入出力パッドと前記第1電源(Vdd)を供給する端子との間に直列に構成された第8P型トランジスタ(P9)と第9P型トランジスタ(P10)と、
を有することを特徴とするインターフェース回路。 - 請求項23に記載のインターフェース回路において、前記第2ノード(ノードb)に接続されたゲート電極を備え、前記第1電源(Vdd)を供給する端子と前記フローティングNウエルの電位を供給する端子との間に構成され、前記フローティングNウエル上に形成された第7P型トランジスタ(P11)をさらに有することを特徴とする。
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