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JPH0727717B2 - センス回路 - Google Patents

センス回路

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JPH0727717B2
JPH0727717B2 JP63174419A JP17441988A JPH0727717B2 JP H0727717 B2 JPH0727717 B2 JP H0727717B2 JP 63174419 A JP63174419 A JP 63174419A JP 17441988 A JP17441988 A JP 17441988A JP H0727717 B2 JPH0727717 B2 JP H0727717B2
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mos transistor
sense circuit
potential
transistor
node
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一孝 野上
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Toshiba Corp
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Publication date
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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
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  • Manipulation Of Pulses (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、多ビット構成の半導体メモリなどに使用され
るセンス回路に係り、特にMOS(絶縁ゲート型)トラン
ジスタを用いてなるセンス回路に関するものである。
(従来の技術) 従来の半導体メモリのセンス回路は、第18図に示すよう
なラッチ型センス回路か、第19図および第20図に示すよ
うなカレントミラー型センス回路が用いられていた。
第18図に示すラッチ型センス回路は、2個のCMOSインバ
ータI1、I2がクロスカップル接続されてなり、この2個
のインバータI1、I2の各入力端が一対のビット線BL、▲
▼に接続されている。そして、センス回路活性化信
号SEが“H"(ハイレベル)、その反転信号▲が“L"
(ロウレベル)になったときに活性化され、上記ビット
線BL、▲▼対の電位差を増幅して出力する。
このようなラッチ型センス回路は、一旦ラッチすると読
出しを終了するので、上記ビット線BL、▲▼対に十
分な電位差が現れるのを待ってから活性化させないと、
誤読出しをしてしまうおそれがある。従って、誤読出し
を避けるためには、活性化の前に十分な時間的余裕を取
る必要があり、センス速度が遅くなる。
また、通常、上記ラッチ型センス回路がセンスしたとき
には、ビット線BL、▲▼がメモリの電源電位が接地
電位かになるので、ビット線電位は電源電圧の全振幅に
わたって変化する。従って、ビット線の容量が大きい場
合、あるいは、サイクル時間が短い場合には、ビット線
BL、▲▼の充放電による消費電力が大きくなる。
一方、第19図に示すカレントミラー型センス回路は、入
力用の一対のN型MOSトランジスタ191、192と、電流制
限用の1個のN型MOSトランジスタ193と、カレントミラ
ー負荷用の一対のP型MOSトランジスタ194、195とから
なり、第20図に示すカレントミラー型センス回路は、第
19図に示すようなカレントミラー型センス回路の2組が
差動的に接続されてなる。
これらのカレントミラー型センス回路は、入力が一対の
ビット線BL、▲▼に接続されており、センス回路活
性化信号SEがハイレベルになったときに前記電流制限用
トランジスタ193がオンになって活性化され、上記ビッ
ト線BL、▲▼対の電位差に応じた出力を出力ノード
DO、または一対の出力ノードDO、▲▼に出力する。
この場合、入力の増幅は行われない(入力が電源電圧の
全振幅にわたる変化はしない)ので、ビット線BL、▲
▼の充放電による消費電力は小さくて済む。
しかし、カレントミラー型センス回路のセンス速度は、
電流制限用トランジスタ193に流れる電流によって決ま
るので、高速にセンスにするためには、1個のセンス回
路当り0.3mA以上の電流を流さなければならない。従っ
て、半導体メモリで例えば200ビット同時読出しを行わ
せる場合、電源電位が5Vとすると、センス回路だけで0.
3Wも消費することになり、消費電力の制約から読出し可
能なビット数が制限される。つまり、非常に多くのビッ
ト(例えば500ビット以上)を同時に読出すような半導
体メモリでは、上記したようなカレントミラー型センス
回路を使用することが困難になる。
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、上記したように従来のラッチ型センス回路
は、ビット線電位が電源電圧の全振幅にわたって変化す
るのでビット線の充放電による消費電力が大きくなると
いう問題点、および従来のカレントミラー型センス回路
は、センス速度が電流制限用トランジスタに流れる電流
によって決まるので、高速にセンスするためには1個の
センス回路当り大きな電流を流さなければならず、多く
のビットの同時読出しを行わせる場合に消費電力の制約
から読出し可能なビット数が制限されるという問題点を
解決すべくなされたもので、消費電力が低く、半導体メ
モリに使用して非常に多くのビットの同時読出しが可能
となるセンス回路を提供することを目的とする。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明のセンス回路は、直列接続された第1導電型の第
1のMOSトランジスタおよび第2のMOSトランジスタと、
同じく直列接続された第1導電型の第3のMOSトランジ
スタおよび第4のMOSトランジスタと、上記第2のMOSト
ランジスタおよび第4のMOSトランジスタのソース相互
接続点と第1の電源電位ノードとの間にドレイン・ソー
ス間が接続され、ゲートにセンス回路活性化信号が印加
される第1導電型の第5のMOSトランジスタとを具備
し、前記第1のMOSトランジスタのドレインおよび第3
のMOSトランジスタのドレインが対応して前記第3のMOS
トランジスタ(または第4のMOSトランジスタ)のゲー
トおよび前記第1のMOSトランジスタ(または第2のMOS
トランジスタ)のゲートに接続され、上記第2のMOSト
ランジスタ(または第1のMOSトランジスタ)のゲート
および前記第4のMOSトランジスタ(または第3のMOSト
ランジスタ)のゲートが対応して第1の入力ノードおよ
び第2の入力ノードになり、前記第1のMOSトランジス
タのドレインおよび第3のMOSトランジスタのドレイン
が対応して第1の出力ノードおよび第2の出力ノードに
なることを特徴とする。
(作用) プリチャージ時には活性化信号が非活性になって第5の
MOSトランジスタはオフになり、第1の出力ノードおよ
び第2の出力ノードはプリチャージ回路(図示せず)に
より所定の電位にそれぞれプリチャージされる。このよ
うにプリチャージされた状態で、第1の入力ノードおよ
び第2の入力ノードとの間に電位差が生じるものとする
と、この電位差が十分に現れた時点で前記活性化信号が
活性化されることによってセンス回路が活性化され、各
MOSトランジスタがオンになり、第1の出力ノードの電
位および第2の出力ノードの電位がそれぞれ変化する。
この場合、第1の入力ノードおよび第2の入力ノードの
電位の高低関係に応じて第1の出力ノードおよび第2の
出力ノードの電位に差がつき、これにより、第3のMOS
トランジスタ(または第2のMOSトランジスタ)のゲー
ト電位および前記第1のMOSトランジスタ(または第2
のMOSトランジスタ)のゲート電位に差がつき、さら
に、前記第1の出力ノードの電位と第2の出力ノードの
電位との差が拡大する。そして、この第1の出力ノード
の電位または第2の出力ノードの電位が所定値になる
と、この第1の出力ノードの電位または第2の出力ノー
ドの電位がゲートに与えられているトランジスタがオフ
になり、この後ラッチがかかり、センス動作が終了す
る。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。
第1図に示すセンス回路において、第1導電型(本例で
はNチャネル型)の第1のMOSトランジスタN1および第
2のMOSトランジスタN2が直列接続されており、同じく
Nチャネル型の第3のMOSトランジスタN3および第4のM
OSトランジスタN4が直列接続されており、上記第2のMO
SトランジスタN2および第4のMOSトランジスタN4のソー
ス相互が接続されており、この接続点と第1の電源電位
(本例ではVSS)ノードとの間にNチャネル型の第5のM
OSトランジスタN5のドレイン・ソース間が接続され、こ
のゲートにセンス回路活性化信号SEが印加される。
そして、上記第1のMOSトランジスタN1のドレインおよ
び第3のMOSトランジスタN3のドレインが対応して前記
第3のMOSトランジスタN3のゲートおよび前記第1のMOS
トランジスタN1のゲートに接続され、前記第2のMOSト
ランジスタN2のゲートおよび前記第4のMOSトランジス
タN4のゲートが対応して第1の入力ノードAおよび第2
の入力ノードBになり、前記第1のMOSトランジスタN1
のドレインおよび第3のMOSトランジスタN3のドレイン
が対応して第1の出力ノードCおよび第2の出力ノード
Dになっている。
ここで、上記センス回路の第1の入力ノードAおよび第
2の入力ノードBは、例えば他ビット構成のスタティッ
ク型半導体メモリにおけるメモリセルアレイの各カラム
のビット線対BL、▲▼に接続されている。
次に、上記センス回路の動作について第13図を参照して
説明する。プリチャージ時には信号SEが“L"になって、
第5のMOSトランジスタN5はオフになり、第1の出力ノ
ードCおよび第2の出力ノードDはプリチャージ回路
(図示せず)により、例えば5Vの第2の電源電位V
DD(>VSS)にそれぞれプリチャージされる。このよう
にプリチャージされた状態で、メモリセル読出しデータ
に応じてビット線BL、▲▼対に電位差が生じる(こ
こでは、ビット線BL、▲▼対はVDD電位の1/2の電位
にプリチャージされた状態から“0"データの読出しによ
って▲▼が“L"になる場合を示している)。
この電位差が十分に現れた時点で信号SEが“H"になって
センス回路が活性化され、各MOSトランジスタがオンに
なり、第1の出力ノードCの電位▲▼および第2
の出力ノードDの電位OUTがそれぞれ低下する。この場
合、BLの電位>▲▼の電位であるので、上記電位▲
▼が電位OUTよりも速く低下する。これにより、
第3のMOSトランジスタN3のゲート電位および前記第1
のMOSトランジスタN1のゲート電位に差がつき、上記電
位▲▼と電位OUTとの差が拡大する。そして、電
位▲▼がNチャネルトランジスタの閾値電圧VTN
(VTN>0v)以下になった時点Taで、第3のMOSトランジ
スタN3がオフになり、前記電位OUTの低下が止まり、そ
の後、前記電位▲▼はVSS電位まで下がり、この
状態でラッチがかかり、読出しが終了する。
上記したセンス回路は、そのラッチ動作がビット線電位
に変化を与えないので、ビット線の電位変動としては上
記センス回路の読出しに必要とするビット線電位差のみ
変動させればよく、ビット線の充放電に要する電流は非
常に小さい。この場合、SRAM(スタティック型ランダム
アクセスメモリ)やEPROM(紫外線消去型再書込み可能
なリードオンリーメモリ)は、非破壊読出しを行うの
で、ビット線電位を必ずしもVDDとVSSとの間の全振幅に
わたって変動させる必要はないので、上記したようなセ
ンス回路を使用して、その読出しに必要とするビット線
電位差のみビット線電位を変動させればよい。
また、上記したセンス回路は、ラッチにより一対の出力
ノードの振幅は大きく変化する(一方の出力ノードはV
DDとVSSとの間の全振幅にわたって変化する)が、この
一対の出力ノードには次段のゲートまでの容量が付くだ
けであって、ビット線などが接続される一対の入力ノー
ドに比べて容量を極めて小さくできるので、その充放電
電流による消費電力が低くて済む。
因みに、ビット線容量が3pF(256K、1MビットレベルのS
RAMではこの程度になる)、サイクル時間が20nS、読出
しに必要なビット線電位差が200mV、出力ノードの容量
が0.5pF、VDD電位が5Vとすると、ビット線の充放電電流
は 3pF×200mV÷20nS=30μA となり、出力ノードの充放電電流は、VDDとVSSとの間の
全振幅にわたって変化したとして 0.5pF×5V÷20nS=125μA となり、1個のセンス回路当り(1ビット当り)計155
μAで1ビットの読出しが行われる。
これに対して、第18図に示した従来のラッチ型センス回
路を用いた場合には、ビット線の充放電電流が 3pF×5V÷20nS=750μA になり、ビット線の充放電電流のみで前記実施例の場合
に比べて約5倍の電流を消費する。また、第19図および
第20図に示した従来のカレントミラー型センス回路を用
いた場合には、電流制限用トランジスタに電流を流す必
要があり、サイクル時間20nSを実現させるためには、1
個のセンス回路当り(1ビット当り)少なくとも300μ
Aの電流を流さなければならないので、前記実施例の場
合に比べて約2倍の電流を消費する。
第2図は第1図のセンス回路の変形例を示しており、第
1図に対して、第1のMOSトランジスタN1のドレインお
よび第3のMOSトランジスタN3のドレインが対応して第
4のMOSトランジスタN4のゲートおよび第2のMOSトラン
ジスタN2のゲートに接続され、第1のMOSトランジスタN
1のゲートおよび第3のMOSトランジスタN3のゲートに対
応して第1の入力ノードAおよび第2の入力ノードBに
なるように変更されており、その他は同じであるので第
1図中と同じ符号を付している。この場合にも、第1図
のセンス回路と同様の動作が行われて同様の効果が得ら
れる。
第3図は第1図のセンス回路に相補的なセンス回路を示
しており、第1図のセンス回路に対して、MOSトランジ
スタ群の導電型のNチャネル型からPチャネル型に置き
替え、活性化信号SEをその反転信号▲▼に置き替
え、電源電位ノードに対する接続関係を入れ替えた相補
的な構成である。
即ち、このセンス回路は、直列接続された第2導電型の
第1のMOSトランジスタP1および第2のMOSトランジスタ
P2と、同じく直列接続された第2導電型の第3のMOSト
ランジスタP3および第4のMOSトランジスタP4と、上記
第2のMOSトランジスタP2および第4のMOSトランジスタ
P4のソース相互接続点と第2の電源電位ノードとの間に
ドレイン・ソース間が接続され、ゲートにセンス回路活
性化信号の反転信号が印加される第2導電型の第5のMO
SトランジスタP5とを具備し、前記第1のMOSトランジス
タP1のドレインおよび第3のMOSトランジスタP3のドレ
インが対応して前記第3のMOSトランジスタP3のゲート
および前記第1のMOSトランジスタP1のゲートに接続さ
れ、上記第2のMOSトランジスタP2のゲートおよび前記
第4のMOSトランジスタP4のゲートが対応して第1の入
力ノードAおよび第2の入力ノードBになり、前記第1
のMOSトランジスタP1のドレインおよび第3のMOSトラン
ジスタP3のドレインが対応して第1の出力ノードCおよ
び第2の出力ノードDになっている。
この場合にも、第1図のセンス回路の動作に準じて相補
的な動作が第14図に示すように行われ、第1図のセンス
回路と同様の効果が得られる。即ち、プリチャージ時に
は反転信号▲▼が“H"になって第5のMOSトランジ
スタP5はオフになり、第1の出力ノードCおよび第2の
出力ノードDはプリチャージ回路(図示せず)により第
1の電源電位VSSにそれぞれプリチャージされる。この
ようにプリチャージされた状態で、メモリセル読出しデ
ータに応じてビット線BL、▲▼対に電位差が生じ、
この電位差が十分に現れた時点で反転信号▲▼が
“L"になってセンス回路が活性化されると、センス回路
はビット線BL、▲▼対の電位差をセンス増幅してラ
ッチする。
第4図は第3図のセンス回路の変形例を示しており、第
3図に対して、第1のMOSトランジスタP1のドレインお
よび第3のMOSトランジスタP3のドレインが対応して第
4のMOSトランジスタP4のゲートおよび第2のMOSトラン
ジスタP2のゲートに接続され、第1のMOSトランジスタP
1のゲートおよび第3のMOSトランジスタP3のゲートが対
応して第1の入力ノードAおよび第2の入力ノードBに
なるように変更されており、その他は同じであるので第
3図中と同じ符号を付している。この場合にも、第3図
のセンス回路と同様の動作が行われて同様の効果が得ら
れる。
第5図乃至第8図は、それぞれ本発明の他の実施例のセ
ンス回路を示している。第5図は、第1図のセンス回路
と第3図のセンス回路とを組み合わせたものであり、第
1図のセンス回路と第3図のセンス回路とのそれぞれの
第1の入力ノードA同士、第2の入力ノードB同士、第
1の出力ノードC同士、第2の出力ノードD同士が接続
されてなる。
第6図は、第2図のセンス回路と第4図のセンス回路と
を第5図と同様に組合わせたものである。第7図は、第
2図のセンス回路と第3図のセンス回路とを第5図と同
様に組合わせたものである。第8図は、第1図のセンス
回路と第4図のセンス回路とを第5図と同様に組合わせ
たものである。
これらのセンス回路では、プリチャージ時に第1の出力
ノードCおよび第2の出力ノードDを第2の電源電位V
DDと第1の電源電位VSSとの間の任意のレベルにプリチ
ャージしてもセンス動作が可能になる。
ここで、第1の出力ノードCおよび第2の出力ノードD
を例えばVDD電位の1/2の電位にプリチャージした場合の
センス動作について第15図を参照して説明する。プリチ
ャージ時には信号SEが“L"、反転信号▲▼が“H"に
なってMOSトランジスタN5とP5とはオフになり、第1の
出力ノードCおよび第2の出力ノードDはプリチャージ
回路(図示せず)により、VDD電位の1/2の電位にそれぞ
れプリチャージされる。このようにプリチャージされた
状態で、メモリセル読出しデータに応じてビット線BL、
▲▼対に電位差が生じる(ここでは、ビット線BL、
▲▼対はVDD電位の1/2の電位にプリチャージされた
状態から“0"データの読出しによって▲▼が“L"に
なる場合を示している)。
この電位差が十分に現れた時点で信号SEが“H"、反転信
号▲▼が“L"になってセンス回路が動作を開始し、
第1の出力ノードCの電位がVSS、第2の出力ノードD
の電位がVDDになってセンスが終了する。なお、上記信
号SEが“H"、反転信号▲▼が“L"になるタイミング
は、必ずしも同じでなくてもよい。この場合、第1の出
力ノードCおよび第2の出力ノードDはVDDとVSSとの間
の全振幅にわたって変化するので、センス終了後に次段
のゲートに貫通電流が生じなくなり、低消費電力化の点
でより優れている。
また、上記センス動作に際して、Nチャネル型のトラン
ジスタとPチャネル型のトランジスタとの両方で増幅を
行うので、第1図乃至第4図のセンス回路のようにNチ
ャネル型のトランジスタあるいはPチャネル型のトラン
ジスタのみで増幅を行う場合よりもセンス感度が良い。
第9図乃至第12図は、それぞれ本発明のさらに他の実施
例のセンス回路を示している。第9図および第10図は、
各対応して第1図のセンス回路および第2図のセンス回
路に負荷用のPチャネル型の第6のトランジスタP6およ
び第7のトランジスタP7がそれぞれ接続されたものであ
る。即ち、第1の出力ノードCおよび第2の出力ノード
Dと第2の電源電位VDDノードとの間に負荷用のPチャ
ネル型の第6のトランジスタP6および第7のトランジス
タP7がそれぞれ接続され、この第6のトランジスタP6お
よび第7のトランジスタP7の各ゲートは対応して前記第
2の出力ノードDおよび第1の出力ノードCに接続され
てなる。この場合にも、第1図のセンス回路および第2
図のセンス回路とほぼ同様の動作が第16図に示すように
行われて同様の効果が得られる。この場合、負荷が接続
されていることによって、センス動作に際して第1の出
力ノードCおよび第2の出力ノードDはVDDとVSSとの間
の全振幅にわたって変化するようになり、センス終了後
に次段のゲートに貫通電流が生じなくなり、低消費電力
化の点でより優れている。
また、第11図および第12図は、各対応して第3図のセン
ス回路および第4図のセンス回路に負荷用のNチャネル
型の第6のトランジスタN6および第7のトランジスタN7
が第9図および第10図と同様にそれぞれ接続されたもの
である。この場合にも、第3図のセンス回路および第4
図のセンス回路とほぼ同様の動作が第17図に示すように
行われて同様の効果が得られると共に、センス動作に際
して第1の出力ノードCおよび第2の出力ノードDはV
DDとVSSとの間の全振幅にわたって変化するようにな
り、センス終了後に次段のゲートに貫通電流が生じなく
なり、低消費電力化の点でより優れている。
また、第9図乃至第12図のセンス回路は、センス動作に
際して活性化信号はSEあるいは▲▼のみでよく、第
5図乃至第8図のセンス回路では2つの信号SEおよび▲
▼を必要とするのに比べて信号発生回路の簡略化が
可能になる。
さらに、第9図乃至第12図のセンス回路は、第5図乃至
第8図のセンス回路に比べてトランジスタの使用数が少
ないので、チップ上の占有面積がより小さくなる。
[発明の効果] 上述したように本発明のセンス回路によれば、ラッチ動
作が入力ノードの電位に変化を与えないので、この入力
ノードの電位を必ずしもVDDとVSSとの間の全振幅にわた
って変動させる必要はなくなり、この入力ノードの充放
電電流を抑制できるので消費電力が低い。従って、SRAM
やEPROMなどの半導体メモリに使用して非常に多くのビ
ットの同時読出しを行うことができる(消費電力が制限
された場合に、最も多くのビットの同時読出しを行うこ
とができる)。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のセンス回路の一実施例を示す回路図、
第2図乃至第4図は第1図のセンス回路の変形例を示す
回路図、第5図は本発明のセンス回路の他の実施例を示
す回路図、第6図乃至第8図は第5図のセンス回路の変
形例を示す回路図、第9図は本発明のセンス回路のさら
に他の実施例を示す回路図、第10図乃至第12図は第9図
のセンス回路の変形例を示す回路図、第13図は第1図お
よび第2図のセンス回路の動作を示す波形図、第14図は
第3図および第4図のセンス回路の動作を示す波形図、
第15図は第5図乃至第8図のセンス回路の動作を示す波
形図、第16図は第9図および第10図のセンス回路の動作
を示す波形図、第17図は第11図および第12図のセンス回
路の動作を示す波形図、第18図は従来のラッチ型センス
回路を示す回路図、第19図および第20図はそれぞれ従来
のカレントミラー型センス回路を示す回路図である。 N1〜N7……Nチャネル型のMOSトランジスタ、P1〜P7…
…Pチャネル型のMOSトランジスタ、A、B……入力ノ
ード、C、D……出力ノード、SE、▲▼……センス
回路活性化信号。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の第1MOSトランジスタと、この
    第1MOSトランジスタと直列接続された第1導電型の第2M
    OSトランジスタとを有する第1直列回路と、 第1導電型の第3MOSトランジスタと、この第3MOSトラン
    ジスタと直列接続された第1導電型の第4MOSトランジス
    タとを有する第2直列回路と、 一端が第1電源電位ノードと接続し、他端が前記第1直
    列回路の一端及び前記第2直列回路の一端と接続し、ゲ
    ートにセンス回路活性化信号が印加された第1導電型の
    第5MOSトランジスタと、 第2導電型の第6MOSトランジスタと、この第6MOSトラン
    ジスタと直列接続された第2導電型の第7MOSトランジス
    タとを有する第3直列回路と、 第2導電型の第8MOSトランジスタと、この第8MOSトラン
    ジスタと直列接続された第2導電型の第9MOSトランジス
    タとを有する第4直列回路と、 一端が第2電源電位ノードと接続し、他端が前記第3直
    列回路の一端及び前記第4直列回路の一端と接続し、ゲ
    ートにセンス回路活性化信号の反転信号が印加された第
    2導電型の第10MOSトランジスタと、 前記第2及び第7MOSトランジスタのゲートと接続された
    第1入力ノードと、 前記第4及び第9MOSトランジスタのゲートと接続された
    第2入力ノードと、 前記第1及び第6MOSトランジスタのゲート並びに前記第
    2及び第4直列回路の他端と接続された第1出力ノード
    と、 前記第3及び第8MOSトランジスタのゲート並びに前記第
    1及び第3直列回路の他端と接続された第2出力ノード
    と を有するセンス回路。
  2. 【請求項2】前記第1及び第2出力ノードは、前記第1
    電源電位ノードの電位と前記第2電源電位ノードの電位
    との間の所定のレベルにプリチャージされることを特徴
    とする請求項1に記載のセンス回路。
  3. 【請求項3】前記第1及び第2出力ノードは、前記第1
    電源電位ノードの電位と前記第2電源電位ノードの電位
    との間の所定のレベルにプリチャージされ、前記第1入
    力ノードと前記第2入力ノードの電位差が十分に現れた
    時点で前記第5及び第10MOSトランジスタがオン状態に
    なるように制御されることを特徴とする請求項1に記載
    のセンス回路。
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