CS240802B1 - KLopný obvod typu D s nulovým nebo sníženým přesahem - Google Patents

Abstract

Jednofázový klopný obvod typu D, který umožňuje spolupráci s jinými klopnými obvody stejného druhu i při rozptylu zpoždění hradel způsobeném nedokonalým systémem rozvodu země a napájecího napětí Přímé propojení výstupů na vstup D umož­ ňuje nulový nebo snížený přesah klopného obvodu. Nulový nebo snížený přesah se dosáhne tím, že klopný obvod má v cestě datového signálu dvě invertující hradla, jejichž zpoždění je stejné nebo větší než zpoždění hradel určujících hodnotu přesahu. Stejného zpoždění hradel je dosaženo tím, že hradla topologicky sousedí a jsou připojena'na stejný zemní a napájecí potenciál.

Description

Předmětem vynálezu je klopný obvod, který umožňuje spolupráci s jinými klopnými obvody stejného druhu i při rozptylu zpoždění hradel způsobeném nedokonalým systémem rozvodu země a napájecího napětí. Tento problém vzniká například při realizaci logických obvodů na hradlových polích.

Klopné obvody dodávané jako obvody malé a střední integrace mají i přes rozptyl dynamických parametrů, mezi čipy vyráběnými v různých obdobích, na různých plátcích, různými výrobci, zajištěnu vzájemnou spolupráci díky definici dynamických parametrů a jejich kontrole při měření u výrobce. Například klopné obvody typu D vzorkované čelem hodinového impulsu, zobrazené na obr. la, které jsou dva v integrovaném obvodu MH7474, mají zajištěnou vzájemnou spolupráci i při přímém propojení výstupů Q na datové vstupy D. Uvažujeme-li nulový rozptyl čela hodinových impulsů mezi klopnými obvody, pak musí platit podle ^lb ‘hold max — ‘pD(C-Q)min* ^kde ‘hold ->^e P^{řesah si}«^álu na vstupu D proti celu hodinového impulsu, ^tpu(c«Q) J^e zpoždění signálu mezi hodinovým vstupem C a výstupem Q, respektive U. Zanedbáme-li v prvním přiblížení rozdíl zpoždění signálu na hradle při přechodu výstupu na nízkou úroveň L nebo vysokou úroveň H a označíme-li zpoždění hradla NAND ίθ pak z rozboru funkce klopného obvodu vyplývá, že t_{hold maJ[} = ίθ _Μχ, ‘pD(C-Q) min = ^2t0 min· ^{takže musel}° P¹“““· ^ža ‘o max~^2t0 min Při správném návrhu je rozptyl čela hodinových impulsů na čipu zanedbatelný. Rozptyl zpoždění hradel na jednom čipu vyhovuje uvedenému vztahu, pokud je na čipu dokonalý rozvod země a napájení bez napěťových úbytků, které mohou ovlivnit hodnoty zpoždění hradel. U hradlových polí jsou hradla sestavena v pravoúhlé matici buď jednotlivě, nebo sdružená do buněk. Řádky nebo sloupce

240 802 buněk či hradel jsou napájeny ze sítě širších spojů - napájecích a zemních sběrnic. Hradla, připojená na různé zemní a napájecí sběrnice, kterými protékají různé napájecí proudy, pak mohou pracovat při odlišném zemním a napájecím potenciálu, což může ovlivnit jejich hodnoty zpoždění. Vlastnosti rozvodu země a napájení závisí na odporu a indukčnosti napájecích sběrnic.

U hradlových polí s rozvodem země a napájení bez napěťových úbytků, které by mohly ovlivnit hodnoty zpoždění, výrobci používají klopné obvody s jednoíázovými hodinovými impulsy a výhodnými dynamickými vlastnostmi. Pro klopné obvody typu D vychází, podle obr. lb, doba periody hodinových impulsů T ~ 5ίθ + t^ , kde t^ je zpoždění hradel zapojených mezi výstup Q a vstup D.

Pokud se nepodaří na hradlovém poli realizovat rozvod země a napájení bez napěťových úbytků ovlivňujících rozptyl hodnot zpoždění hradel, je možné použít dvoufázový nebo vícefázový rozvod hodinových impulsů. Dvoufázové klopné obvody pracují spolehlivě i pro libovolně malá zpoždění hradel a libovolně porušené hrany hodinových impulsů. Správnou funkci zajistí odpovídající nastavení šířky, opakovači periody a fázového odstupu hodinových impulsů. Jejich nevýhodou je nutnost dvoufázového rozvodu hodinových impulsů, který komplikuje propojení a zabírá signální vývody hradlového pole. Další nevýhodou je vyšší doba periody pro dané t^ a větší počet potřebných hradel. Například pro dvoufázové klopné obvody firmy IBM s logickými obvody mezi fázemi C2 a Cl platí T > 7t_Q + t. a klopný obvod, se .skládá z .devíti hradel, pro dvoufázové klopné obvody p od 1 Γ

T 6t_Q + t^ a klopný obvod se skládá z osmi hradel. Dynamické parametry vícefázových klopných obvodů se dále zhoršují tolerancemi nastavení a zpoždění jednotlivých fází hodinových impulsů.

Nevýhody vícefázových klopných obvodů odstraňuje použití jednofázových klopných obvodů typu D vzorkovaných čelem hodinového impulsu v kombinaci s klopnými obvody typu D podle vynálezu, které se vyznačují nulovým nebo sníženým přesahem vstupního

- 3 240 802 signálu. Pokud napěťové úbytky na rozvodu zvyšují rozptyl hodnot zpoždění hradel, lze vždy stanovit minimální počet logických stupňů k mezi dvěma klopnými obvody pracujícími synchronně se společnými hodinovými impulsy tak, aby byl dodržen přesah vstupního signálu. Zpoždění k logických stupňů t_L = kt_Q mění podmínku vzájemné spolupráce na vztah tg _raax— _mj_n (^{2 +} k) · Znamená to, že pokud bude mezi dvěma klopnými obvody minimálně k hradel za sebou, například čtyři, lze použít známé klopné obvody typu D vzorkované čelem hodinového impulsu, které se sklá dají z šesti hradel. Doba periody hodinových impulsů Τ > 5ίθ + t_L umožňuje využít maximální počet logických stupňů mezi dvěma klopnými obvody. V případě, že je mezi klopnými obvody v některé větvi méně než k logických stupňů, může se doplnit počet stupňů na k nebo se na místě druhého klopného obvodu použi je klopný obvod typu D s nulovým nebo sníženým přesahem vstupního signálu. Klopný obvod typu D s nulovým nebo sníženým přesahem vstupního signálu obsahuje o jedno až dvě hradla více a má větší hodnotu předstihu vstupního signálu t_ge^ . K omezení doby periody hodinových impulsů však nedochází, protože klopný obvod s nulovým nebo sníženým přesahem vstupního signálu se používá jen tehdy, když je předřazeno méně než k logických stupňů a zpoždění ktQ bývá podstatně menší než doba periody hodinových impulsů T.

Podstata klopného obvodu typu D s nulovým nebo sníženým přesahem vstupního signálu spočívá v tom, že výstupní svorka prvního hradla je spojena se vstupní svorkou druhého hradla, jehož výstupní svorka je spojena s první vstupní svorkou třetího hradla, jehož výstupní svorka je spojena s první vstupní svorkou čtvrtého hradla a s první vstupní svorkou šestého hradla, jehož výstupní svorka je spojena s první vstupní svorkou pátého hradla, jehož výstupní svorka je spojena s druhou vstupní svorkou čtvrtého hradla a druhou vstupní svorkou šestého hradla a první vstupní svorkou osmého hradla, jehož výstupní svorka tvoří přímou výstupní svorku klopného obvodu a je připojena k první vstupní svorce sedmého hradla jehož výstupní svorka tvoří negovanou výstupní svorku klopného obvodu a je připojena k druhé vstupní svorce osmého hradla a jehož druhá vstup- 4 240 802 ní svorka je spojena s výstupní svorkou čtvrtého hradla a s druhou vstupní svorkou třetího hradla, dále vstupní svorka prvního hradla, tvoří vstupní svorku klopného obvodu, druhá vstupní svor ka pátého hradla spojená s třetí vstupní svorkou čtvrtého hradla tvoří hodinovou svorku klopného obvodu, přičemž první hradlo je elektricky shodné se čtvrtým hradlem nebo je první hradlo modifikované na vyšší hodnotu zpoždění při přechodu výstupu na nízkou úroveň než čtvrté hradlo, se kterým topologicky sousedí a zemní svorka čtvrtého hradla je připojena na stejnou zemní sběrnici jako zemní svorka prvního hradla. Rovněž může být napájecí svorka čtvrtého hradla připojena na stejnou napájecí sběrnici jako napájecí svorka prvního hradla. Dále může být druhé hradlo elektricky shodné s pátým hradlem nebo je druhé hradlo modifikováno na vyšší hodnotu zpoždění při přechodu výstupu na nízkou úroveň než páté hradlo, s kterým topologicky sousedí a zemní svorka pátého hradla je připojena na stejnou zemní sběrnici jako zemní svorka druhého hradla. V jiném případě může být délka úseku na zemní sběrnici mezi zemní svorkou čtvrtého hradla a zemní svorkou prvního hradlo menší než délka úseku na zemní sběrnici mezi zemní svorku čtvrtého hradla a zemní svorkou kteréhokoliv jiného hradla. V jiném provedení může být první hradlo negační součtově - součinové hradlo, jehož první vstupní svorka první součtové sekce tvoří první vstupní svorku klopného obvodu, první vstupní svorka druhé součtové sekce tvoří druhou vstupní svorku klopného obvodu a druhá vstupní svorka druhé součtové sekce je spojena s výstupem invertoru, jehož vstupní svorka je spojena s druhou vstupní svorkou první součtové sekce prvního hradla a tvoří řídicí svorku klopného obvodu.

Výhodou řešení podle vynálezu je, že vyžaduje pouze jednofázové hodinové impulsy, čímž se zjednoduší rozvod hodinových impulsů a zmenší počet obsazených vývodů integrovaného obvodu. Systém s jednofázovým rozvodem hodin na hradlových polích je plně kompatibilní se systémem používajícím standardní integrované obvody, nevyžaduje generátor vícefázových hodin. Tato výhoda se uplatni zvláště v těch případech, kdy se hradlovým polem nahrazuje pouze část stávajícího systému složená převážně z obvodů malé integrace nebo když je neekonomické v novém systému

- 5 240 802 nevyužít standardních obvodů střední a velké integrace. U jednorázového systému lze také dosáhnout lepších dynamických parametrů a úspory celkového počtu hradel.

Dva příklady klopného obvodu podle vynálezu jsou znázorněny na připojených výkresech. Na obr. la je propojení dvou známých klopných obvodů typu D vzorkovaných čelem hodinového impulsu, na obr. lb je časový diagram zapojení. Na obr.

2a je zapojení klopného obvodu typu D podle vynálezu a na obr.

2b jeho časový diagram. Na obr. 3 je znázorněno jedno z možných zapojení dvou invertorů za sebou v provedení STTL. Na obr. 4 je zapojení klopného obvodu podle vynálezu vybaveného řídící svorkou M.

Klopný obvod typu Dna obr. 2a se skládá ze dvou invertorů a šesti negačních součinových hradel, která jsou zapojena tak, že výstupní svorka 11 hradla 1 je spojena se vstupní svorkou 32 hradla 2. Jeho výstupní svorka 21 je spojena se vstupní svorkou 33 hradla 3^. Výstupní svorka 31 hradla ji je spojena se vstupní svorkou 44 hradla 4 a se vstupní svorkou 62 hradla (5.

Jeho výstupní svorka 61 je spojena se vstupní svorkou 52 hradla

5. Výstupní svorka 51 hradla je spojena se vstupní svorkou 42 hradla 4, se vstupní svorkou 63 hradla 6 a vstupní svorkou 82 hradla 8. Výstupní svorka 81 tvoří přímou výstupní svorku Q klopného obvodu a je připojena ke vstupní svorce 72 hradla 7. Výstupní svorka 71 hradla 7 tvoří negovanou výstupní svorku Φ klopného obvodu a je připojená k vstupní svorce 83 hradla 8. Vstupní svorka 73 hradla 7 je spojena s výstupní svorkou 41 hradla 4 a vstupní svorkou 32 hradla j3. Vstupní svorka 12 hradla 1 tvoří vstupní svorku D klopného obvodu. Vstupní svorka 53 hradla 5 spojená se vstupní svorkou 43 hradla 4 tvoří hodinovou svorku C klopného obvodu. Hradlo 1 je elektricky shodné s hradlem 4 nebo je hradlo 1 modifikované na vyšší hodnotu zpoždění při přechodu výstupu na nízkou úroveň než hradlo 4. Hradlo 1 s hradlem 4 topologicky sousedí. Zemní svorka 46 hradla 4 je připojena na stejnou zemní sběrnici jako zemní svorka 14 hradla 1.

Část klopného obvodu na obrázku 2a s hradly ji až 8 pracuje

240 802 stejně jako známý klopný obvod typu D vzorkovaný čelem hodinového impulsu, který je obsažen dvakrát v MH7474. Mezi vstupem dat a,svorkou 21, která odpovídá datovému vstupu známého klopného obvody jsou zařazena dvě hradla JL, 2, která zajišťují, že potřeb ná hodnota přesahu signálu na vstupu D oproti čelu hodinového impulsu je nulová nebo snížená. Z rozboru dynamických vlastností klopného obvodu a obr. 2b vyplývá, že pro nulový přesah vstup ního signálu platí podmínky ^PHLl min ^{+ t}PLH2 min ~ ^ťPHL4 max tpLHl min ^{+ t}PHL2 min ^{+ ť}PLH3 min ~ max, kde t_DUt je zpoždění hradla při přechodu výstupu na úroveň L, ***ŤAj tpL_H je zpoždění hradla při přechodu výstupu na úroveň H. Čísla v indexu určují hradlo^ o jehož zpoždění se jedná. Zajistíme-li, že zpoždění signálu t_pHL na hradlech 1 a 4 jsou stejná a zpoždění t_pHL na hradlech 2 a 5 jsou stejná, budou podmínky pro nulový přesah splněny. Stejná zpoždění se dosáhnou tím, že obě hradla každé dvojic^ například 1, 4,budou elektricky shodná, umístíme je do topologicky sousedních pozic a připojíme na stejnou zemní a napájecí sběrnici.

Pojem elektricky shodná hradla znamená, že obě hradla jsou vytvořena ze součástek stejných elektrických vlastností, například tranzistorů o stejném tvaru a geometrických rozměrech, rezistorů se stejnou hodnotou odporu a podobně. Hradla topologicky sousedí, když jsou na čipu vedle sebe, přičemž mezi nimi může procházet napájecí sběrnice, zemní sběrnice a signální spoje. Na zpoždění hradel má vliv ještě jejich zatěžovací kapacita. Pokud je klopný obvod vytvořen jako funkční celek z několika topologicky sousedních hradel, jak bývá zvykem, je vliv rozdílu zatěžovací kapacity hradel 1, 4 a 2, 5 na zpoždění těchto hradel zanedbatelný. Připojením hradel, která topologicky sousedí, na stejnou zemní sběrnici je pro obě hradla zajištěn stejný potenciál zemní svorky. Připojením hradel, která topologicky sousedí, na stejnou napájecí sběrnici je pro obě hradla zajištěn stejný potenciál napájecí svorky Zemních i napájecích svorek hradla může být několik, všechny rozhodující o zpoždění musí být při· pojeny na stejnou sběrnici. Hradla 1, 2 mohou být libovolná in7

240 802 vertující hradla - invertory, hradla NAND, NOR, AND-NQR.

Někdy může být výhodné hradla 1 nebo 2 modifikovat na vyšší zpoždění tpftL ^a snížit hodnotu přesahu vstupního signálu, Příkladem takové úpravy hradla 1 v provedení STTL je vypuštění výstupních omezovačích Schottkyho diod 97, 98 nebo rezístoru 95. jak je naznačeno na obr* 3, snížení hodnoty odporu rezistoru 96 a podobně.

V některých případech není nutné, aby zpoždění hradla 2 a hradla 5 bylo stejné. Vyplývá to z toho, že minimální zpoždění klopného obvodu na obr. la nebo 2a mezi čelem hodinového impulsu a výstupem Q při přechodu výstupu na úroveň L ^HLÍC-QUin ^{= t}PHDř min ^{+ l}PLH7 min ⁺ ^HLe min.

Obdobný vztah platí i pro minimální zpoždění na výstup Q. Při změně úrovně L na H na vstupu D není pro přímé propojení klopných obvodů nutný nulový přesah vstupního signálu, ale postačí dodržet podmínku sníženého přesahu *ΡΙ.Η4 min ^{+ 1}ΡίΗ7 min ⁺ min ^{+ 1}ΡΙ>Η1 min ^{+ +} tpHLS min ^{+ 1}ΡίΗ3 min - ^tPHL5 max Zanedbáme-li rozdíl zpoždění při přechodu výstupu na úroveň H a L, potom musí platit 6 t_{Q min} — t_{Q max}· V takových případech nemusí být hradla 2 a 5 elektricky shodná a hradlo 2 lze zjednodušit. To může být výhodné zvláště v tom případě,obsahuje-li buňka hradlového pole některé součástky navíc. Například obsahuje-li buňka hradlového pole STTL součástky pro dvě hradla a jeden tranzistor, lze hradla 1, 2 zapojit jako hradlo AND plně znázorněné na obr. 3, takže klopný obvod podle vynálezu je složen pouze ze tří a jedné poloviny buňky, to je sedmi hradel hradlového pole.

V případě, že odpor nebo indukčnost napájecí či zemní sběrnice jsou tak velké, že i napětový úbytek mezi sousedními hradly připojenými ke stejné sběrnici může ovlivnit jejich zpoždění, je nutné navrhnout propojení klopného obvodu tak, aby délka úseku na zemní sběrnici mezi zemními svorkami hradel JL, 4 a 2, £> a délka úseku na napájecí sběrnici mezi napájecími svorkami hradel

1, 4,eventuálně 2, 5,byla co nejkratší. Výhodné je, když úsek

- 8 240 802 na zemní sběrnici mezi zemní svorkou 46 hradla 4 a zemní svorkou 14 hradla 1 je menší než délka úseku na zemní sběrnici mezi zemní svorkou 46 hradla 4 a zemní svorkou kteréhokoliv jiného hradla 2 až 8.

Na obr. 4 je znázorněn klopný obvod typu D podle vynálezu vybavený řídícím vstupem M a dalším vstupem D2. Zapojení se od zapojení na obr. 2a liší pouze tím, že je použito negačně součtově - součinové hradlo l^jehož vstupní svorka 12 tvoří vstupní svorku Dl, klopného obvodu, vstupní svorka 16 tvoří vstup ní svorku D2. Vstupní svorka 17 je spojena s výstupem 91 invertoru 9,jehož vstupní Bvorka 92 je spojena se vstupní svorkou 15 hradla £ a tvoří řídící svorku M klopného obvodu.

Klopný obvod v této úpravě může sloužit jako klopný obvod typu D se dvěma nezávislými vstupními signály, z nichž jeden lze využít například k propojení do posuvného registru pro diagnostic ké účely. Další možností je vytvoření klopného obvodu s možností podmíněného taktování. V tom případě se propojí výstup Q například na vstup D2, vstup M se stává podmínkovým vstupem. Hradlo 1 může mít i více součtových sekcí, například tři. Potom je možné vytvořit třeba klopný obvod s podmíněným taktováním a dvěma nezávislými vstupními signály.

Claims (5)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Klopný obvod typu D s nulovým nebo sníženým přesahem» vyznačený tím, že výstupní svorka (11) prvního hradla (1) je spojena se vstupní svorkou (22) druhého hradla (2), jehož výstupní svorka (21) je spojena s první vstupní svorkou (33.) třetího hradla (3), jehož výstupní svorka (31) je spojena s první vstupní svorkou (44) čtvrtého hradla (4) a s první vstupní svorkou (62) šestého hradla (6), jehož výstupní svorka (61) je spojena s první vstupní svorkou (52) pátého hradla (5), jehož výstupní svorka (51) je spojena s druhou vstupní svorkou (42) čtvrtého hradla (4) a druhou vstupní svorkou (63) šestého hradla (6) a první vstupní svorkou (82) osmého hradla (8), jehož výstupní svorka (81) tvoří přímou výstupní svorku Q klopného obvodu a je připojena k první vstupní svorce (72) sedmého hradla (7), jehož výstupní svorka (71) tvoří negovanou výstupní svorku (TJ) klopného obvodu a je připojena k druhé vstupní svorce (83) osmého hradla (8) a jehož druhá vstupní svorka (73) je spojena s výstupní svorkou (41) čtvrtého hradla (4) as druhou vstupní svorkou (32) třetího hradla (3), dále vstupní svorka (12) prvního hradla (1) tvoří vstupní svorku (D) klopného obvodu, druhá vstupní svorka (53) pátého hradla (5) spojená s třetí vstupní svorkou (43) čtvrtého hradla (4) tvoří hodinovou svorku (C) klopného obvodu přičemž první hradlo (1) je elektricky shodné se čtvrtým hradlem (4) nebo je první hradlo (1) modifikované na vyšší hodnotu zpoždění při přechodu výstupu na nízkou úroveň než čtvrté hrad lo (4), se kterým topologicky sousedí, a zemní svorka (46) čtvr tého hradla (4) je připojena na stejnou zemní sběrnici jako zemní svorka (14) prvního hradla (1).
2. 2. Klopný obvod typu D s nulovým nebo sníženým pře sáhem, jtxile bodu vyznačený tím, že napájecí svorka (45) čtvrtého hradla (4) je připojena na stejnou napájecí sběrnici jako napájecí svorka (13) prvního hradla (1).

   240 802
3. 3. Klopný obvod typu Dpdle bodu lj vyznačený tím, že druhé hradlo (2) je elektricky shodné s pátým hradlem (5) nebo je druhé hradlo (2) modifikované na vyšší hodnotu zpoždění při přechodu výstupu na nízkou úroveň než páté hradlo (5), s kterým topologicky soused^ a zemní svorka (55) pátého hradla (5) je připojen na stejnou zemní sběrnici jako zemní svorka (24) druhého hradla (2).
4. 4. Klopný obvod typu D s nulovým nebo sníženým přesahempdle bodu lj vyznačený tím, že délka úseku na zemní sběrnici mezi zemní svorkou (46) čtvrtého hradla (4) a zemní svorkou (14) prvního hradla (1) je menší než délka úseku na zemní sběrnici mezi zemní svorkou (46) čtvrtého hradla (4) a zemní svorkou kteréhokoliv jiného hradla (2 až 8).
5. 5. Klopný obvod typu D s nulovým nebo sníženým přesahemjedle bodu lj vyznačený tím, že první hradlo (1) je negační souótově-součinové hradlo, jehož první vstupní svorka (12) první součtové sekce tvoří první vstupní svorku (Dl) klopného obvodu, první vstupní svorka (16) druhé součtové sekce tvoří druhou vstupní svorku (D2) klopného obvodu a druhá vstupní svorka (17) druhé součtové sekce je spojena s výstupem (91) invertoru (9)j jehož vstupní svorka (92) je spojena s druhou vstupní svorkou (15) první součtové sekce prvního hradla (1) a tvoří řídící svorku (M) klopného obvodu.