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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Teilerschaltung, welche insbesondere
als Frequenzteiler arbeitet und welche um vorgegebene Phasen verschobene
Ausgangssignale erzeugt.
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In
der Signalverarbeitung werden häufig
aus hochfrequenten Signalen, beispielsweise Eingangstaktsignalen,
abgeleitete Ausgangstaktsignale benötigt, deren Frequenz gegenüber dem
Eingangstakt geteilt ist und die untereinander eine vorgegebene
Phasenbeziehung aufweisen. So genannte IQ-Signale, die z. B. in
Empfangsschaltungen von Mobilfunkanwendungen benötigt werden, weisen zwei zueinander
orthogonale, reelle Signalanteile auf, wobei der I-Anteil (Inphase)
dem Q-Anteil (Quadratur) für
positive Frequenzen um 90° vorauseilt
und für
negative Frequenzen um 90° nachläuft.
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In
dem Artikel ”A
Non-Feedback Multiphase Clock Generator using Direct Interpolation”, Yang
et al., The 2002 45th Midwest Symposium an Circuits and Systems,
MWSCAS-2002, 4.–7.
August 2002, Vol. 1, S. I-340, I-343, ist beispielsweise eine aus 2D-Flip-Flops
aufgebaute Teilerschaltung zum Einsatz in einer Schaltungsanordnung
zur Erzeugung eines Mehrphasentaktes angegeben. Die dort beschriebene
Schaltung eignet sich für
Taktfrequenzen zwischen 500 MHz und 1 GHz.
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In
entsprechenden Frequenzteilerschaltungen werden üblicherweise Flip-Flops eingesetzt,
bei denen ein Signal von einem Datenausgang an einen Dateneingang
zurückgekoppelt
wird, wodurch sich beispielsweise bei D-Flip-Flops der Ausgangszustand
bei jeder positiven Taktflanke ändert.
Bei besonders hohen Eingangstaktfrequenzen, z. B. im Gigahertzbereich,
wirkt sich die DQ-Verzögerungszeit, also
die Verzögerung
zwischen dem Vorliegen eines Eingangssignalpegels D und dem Vorliegen
des entsprechenden Signalpegels an einem Ausgang Q des jeweiligen
eingesetzten Flip-Flops auf die Funktion der Teilerschaltung nachteilig
aus. Dabei wird die maximal mögliche
Eingangsfrequenz durch die DQ-Verzögerungszeit der eingesetzten
Flip-Flops und eventuell notwendiger Logikschaltungen nach oben
begrenzt.
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Bei
in konventioneller CMOS-Schaltungstechnik ausgeführten Flip-Flops kann deren
Verzögerungszeit
länger
sein als die Länge
eines halben Eingangstaktes. Daher ging man in der Ver gangenheit bei
hohen Eingangsfrequenzen zu Ausführungsformen
in CML (current mode logic) über,
was allerdings mit höheren
Verlustleistungen durch ständig
fließende
Ströme
einhergeht. Insbesondere bei Mobilfunkanwendungen sind allerdings
Schaltungen mit sehr niedriger Leistungsaufnahme und damit einer
sehr geringen Verlustleistung notwendig. Der größte Teil von komplexen Schaltungsanordnungen
im Mobilfunkbereich ist daher in statischer CMOS-Technik ausgeführt. Werden
dann für
schnelle Teilerschaltungen CML-Schaltungsteile verwendet, muss zusätzlich eine
Pegelumwandlung auf CMOS-Signale durchgeführt werden. Dies ist mit einem
zusätzlichen Schaltungsaufwand
und einer weiteren Verlustleistung verbunden.
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Um
die Geschwindigkeit von in CMOS-Technologie ausgeführten Flip-Flops
zu erhöhen,
wurden beispielsweise in dem Artikel ”Improved Sense-Amplifier-Based
Flip-Flop: Design and Measurements” B. Nikolic et al. in IEEE
Journal of solid-state circuits, Band 35, Nr. 6, Juni 2000 auf Leseverstärkern basierende
Flip-Flops (SAFF = sense-amplifier-based flip-flog) vorgeschlagen.
In dem genannten Artikel ist ein SAFF aus einem differenziellen
Leseverstärker als
Master-Latch und einem RS-Flip-Flop als Slave-Latch beschrieben,
wobei die Leseverstärkerstufe mit
jeder steigenden Taktflanke einen Übergang von logischem High-
auf logischem Low-Pegel an einem ihrer Ausgänge erzeugt. Das entsprechende
SAFF eignet sich insbesondere zum Einsatz in Pipelinestufen von
Mikroprozessoren bei Taktraten bis zu 1 GHz.
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Bei
Frequenzteilerschaltungen in Empfänger- oder Senderschaltkreisen,
beispielsweise für Mobilfunk,
ADSL, serial ATA oder weiteren drahtgebundene Übertragungen sind aber noch
höhere
Frequenzen von einigen Gigahertz zu verarbeiten. Ferner ist möglichst
ein Tastverhältnis
von 0,5 für
das erzeugte Ausgangstaktsignal mit geteilter Frequenz vorzuhalten.
Günstig
ist dabei auch eine Ausgabe von mehreren Signalen mit einer vorgegebenen
Phasenverschiebung untereinander. Diese können z. B. als Abtaststeuersignale
in Abtast/Halte- Schaltungen oder
Analog-Digital Wandlern eingesetzt werden. Andere Einsatzmöglichkeiten
sind IQ-Sende und Empfangsschaltungen, die orthogonale Signale benötigen.
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Es
sind auch Ausführungen
in konventioneller CMOS Logik möglich,
da dann im Gegensatz zu Current-Mode-Logik-Implementierungen insbesondere keine
statischen Stromquellen notwendig sind.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Teilerschaltung zu schaffen, die bei Frequenzen insbesondere von
mehr als 1 GHz zuverlässig
arbeitet und/oder die insbesondere in einer CMOS-Logik ohne statische
Stromquellen realisierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Teilerschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß ist eine
Teilerschaltung vorgesehen, mit mindestens zwei von komplementären Eingangstaktsignalen
getakteten taktflankengesteuerten differenziellen Zwischenspeicherelementen,
die intern auf ein Vorladepotenzial vorladbare Speicherknoten und
jeweils einen differenziellen Dateneingang aufweisen. Dabei weisen
die internen Speicherknoten eines Zwischenspeicherelementes in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Eingangstaktsignal entweder das Vorladepotenzial
auf, oder sie speichern einen logischen Pegel. Ferner ist ein jeweiliger
differenzieller Dateneingang eines Zwischenspeicherelementes an
die internen Speicherknoten des anderen Zwischenspeicherelementes
verbunden. An den internen differenziellen Speicherknoten sind Pulssignale
abgreifbar.
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Gemäß der Erfindung
werden an internen vorladbaren Speicherknoten der Zwischenspeicherelemente
Potenziale bzw. Signale abgegriffen und als Eingangssignale für das jeweils
andere Zwischenspeicherelement verwendet. An den differenziellen Speicherknoten,
also insgesamt vier Knoten, sind dann Puls signale abgreifbar, die
eine feste Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Bezogen auf die
Eingangstaktfrequenz ergibt sich eine halbierte Ausgangstaktfrequenz
aus dem zeitlichen Abstand direkt aufeinander folgender steigender
Pulsflanken eines jeweiligen einzelnen Pulssignals. Die Pulsdauer
und die Pulshöhe
dieser Pulssignale können
dabei von der Frequenz des Eingangstaktsignals, der konkreten Implementierung,
der jeweiligen Bauelemente der Zwischenspeicherelemente und den
Betriebsbedingungen, wie z. B. der Temperatur oder der Versorgungsspannung
abhängen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der
Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren der Zeichnung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die erfindungsgemäße Teilerschaltung
mindestens ein erstes und ein zweites von einem jeweiligen Eingangstaktsignal
getaktetes differenzielles Zwischenspeicherelement mit jeweils einem
ersten und einem zweiten internen Speicherknoten und einem ersten und
zweiten Dateneingang auf. In einer ersten Eingangstaktsignalphase
ist dabei der erste und der zweite interne Speicherknoten des ersten
Zwischenspeicherelementes auf ein Vorladepotenzial vorladbar, und
der erste und zweite interne Speicherknoten des zweiten Zwischenspeicherelementes
speichert jeweils einen an dem ersten oder zweiten Dateneingang
des zweiten Zwischenspeicherelementes anliegenden logischen Pegel.
In einer zweiten Eingangstaktsignalphase ist dann der erste und
zweite interne Speicherknoten des zweiten Zwischenspeicherelementes
auf ein Vorladepotenzial vorladbar, und der erste und zweite interne
Speicherknoten des ersten Zwischenspeicherelementes speichert jeweils einen
an dem ersten und zweiten Dateneingang des ersten Zwischenspeicherelementes
anliegenden logischen Pegel. Der erste Dateneingang des ersten Zwischenspeicherelementes
ist an den ersten internen Speicherknoten des zweiten Zwischenspeicherelementes
verbunden. Der zweite Dateneingang des ersten Zwischenspeicherelementes ist
an den zweiten internen Speicherknoten des zweiten Zwischenspeicherelementes
verbunden. Der erste Dateneingang des zweiten Zwischenspeicherelementes
ist an den zweiten internen Speicherknoten des ersten Zwischenspeicherelementes
verbunden. Und der zweite Dateneingang des zweiten Zwischenspeicherelementes
ist an den ersten internen Speicherknoten des ersten Zwischenspeicherelementes
verbunden.
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Vorzugsweise
sind die Zwischenspeicherelemente als Leseverstarker – auch Sense
Amplifier genannt – ausgeführt. Der
entsprechende Leseverstärker
arbeitet durch die während
eines Eingangshalbtaktes vorgeladenen Speicherknoten besonders schnell
und ermöglicht
die Ausgabe von zuverlässigen
Pulssignalen mit fester Phasenbeziehung untereinander bei hohen
Eingangstaktfrequenzen. Leseverstärker haben durch ihre interne
Rückkopplung ferner
die Eigenschaft, dass ein Schaltvorgang abgeschlossen wird, auch
wenn sich das jeweilige Eingangssignal unmittelbar nach der Taktflanke
wieder ändert.
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Vorzugsweise
weist mindestens ein Zwischenspeicherelement mindestens einen Datenausgang
auf. Dabei ist zwischen einem internen Speicherknoten und dem Datenausgang
eine Puffereinrichtung gekoppelt, und an dem Datenausgang ist ein gepuffertes
Pulssignal abgreifbar. Die Puffereinrichtung, beispielsweise ein
CMOS-Inverter, entkoppelt die Ausgangslastkapazität der erfindungsgemäßen Teilerstufe
von den internen Speicherknoten und kann die Signalqualität der Pulssignale
verbessern. Als Puffereinrichtung sind z. B. Inverter, Buffer oder andere
an sich bekannte Logikeinrichtungen einsetzbar.
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Vorzugsweise
sind die Zwischenspeicherelemente oder die vollständige Teilerschaltung
vollständig
in einer konventionellen statischen CMOS-Technologie ausgeführt. Dabei
sind insbesondere keine statischen Stromquellen vorgesehen. Die
erfindungsgemäße Verschaltung
der Leseverstärker
ermöglicht selbst
bei hohen Eingangstaktfrequenzen, hohen Schwellspannungen oder einer
niedrigen Versorgungsspannung die Verwendung einer CMOS-Schaltungstopologie
ohne statische Stromquellen, wie beispielsweise in CML. Durch den
Abgriff der internen vorladbaren Speicherknoten lässt sich
die durch die Verkopplung der Speicherelemente entstehende Latenz
minimieren und somit die inhärente
Trägheit
der CMOS-Bauelemente abfangen.
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Erfindungsgemäß wird bei
einer steigenden oder fallenden Eingangstaktsignalflanke ein logischer
Pegel des an dem jeweiligen Dateneingang anliegenden Signals in
den jeweiligen internen Speicherknoten übernommen.
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In
einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Teilerschaltung ist mindestens
eine Pulldown-Einrichtung vorgesehen, welche in Abhängigkeit
von mindestens einem Pulssignal oder einem gepufferten Pulssignal
einen auf ein Vorladepotenzial vorgeladenen dynamischen Speicherknoten
entlädt und
ein aufbereitetes Pulssignal ausgibt. Unter einem aufbereiteten
Pulssignal sei hier und in der gesamten Patentanmeldung ein gepuffertes,
hinsichtlich seines logischen Pegels und seiner zeitlichen Pulslänge definiertes
Pulssignal verstanden.
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Die
zunächst
an den internen Speicherknoten abgegriffenen Pulssignale steuern
beispielsweise in der Pulldown-Einrichtung vorgesehene Entladeschalter,
sodass die Pulldown-Einrichtung eine Signalflanke von dem Vorladepotenzial,
beispielsweise auf logischen L-Pegel, erzeugt.
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Vorzugsweise
weist die Pulldown-Einrichtung ferner mindestens einen steuerbaren
Vorladeschalter auf, welcher in Abhängigkeit von mindestens einem
aufbereiteten Pulssignal den dynamischen Speicherknoten auf das
Vorladepotenzial schaltet. Dadurch wird erneut ein Signalübergang
von logischem L-Pegel auf logischen H-Pegel oder das Vorladepotenzial
dem dynamischen Speicherknoten aufgeprägt. Prinzipiell lassen sich
auch somit auch die an den internen Speicherknoten anliegenden Pulssignale
oder die gepufferten Pulssignale direkt zur Ansteuerung der Vorladeschalter
verwenden.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung schaltet die Pulldown-Einrichtung ferner
in Abhängigkeit
von mindestens einem Steuersignal den dynamischen Speicherknoten
auf das Vorladerpotenzial und/oder auf einen vorbestimmten logischen
Pegel. Beispielsweise lassen sich die Steuersignale mit den aufbereiteten
Pulssignalen und/oder den Pulssignalen logisch verknüpfen und
so die steuerbaren Entladeschalter oder Vorladeschalter ansteuern.
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In
einer bevorzugen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Teilerschaltung
sind vier Pulldown-Einrichtungen vorgesehen, wobei ein jeweiliger
steuerbarer Entladeschalter von einem Pulssignal gesteuert ist,
und ein jeweiliger Vorladeschalter von einem gegenüber dem
aufbereiteten Pulssignal um 90° phasenverschobenen
aufbereiteten Pulssignal gesteuert ist. Diese 90°-Phase bezieht sich auf eine
Ausgangstaktperiode, welche durch zwei direkt aufeinander folgende,
steigende oder fallende Pulsflanken eines der Pulssignale oder der
gepufferten Pulssignale definiert ist.
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Damit
ergeben sich aufbereitete Pulssignale derart, dass ein an einem
jeweiligen dynamischen Speicherknoten abgreifbares aufbereitetes
Pulssignal um +90° hinsichtlich
eines ersten aufbereiteten Pulssignals, welches dem aufbereiteten
Pulssignal unmittelbar vorangeht, und um –90° hinsichtlich eines zweiten
aufbereiteten Pulssignals, welches dem aufbereiteten Pulssignal
unmittelbar nachfolgt, Phasen verschoben ist und eine Periodendauer
aufweist, die der doppelten Periode des Eingangstaktsignals entspricht.
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In
einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Teilerschaltung sind mindestens
zwei RS-Flip-Flops mit einem Setzeingang, einem Rücksetzeingang,
einem Flip-Flop-Datenausgang und einem inversen Flip-Flop-Datenausgang
vorgesehen. Dabei sind den Setzeingängen und den Rücksetzeingängen jeweils
zwei aufbereitete Pulssignale zugeführt. Die Nachschaltung der
beiden RS-Flip-Flops ermöglicht
die Ausgabe eine frequenzgeteilten Ausgangstaktsignals bzw. von
jeweiligen aufbereiteten Pulssignalen, die ein Tastverhältnis von
genau 0,5 bzw. 50% aufweisen.
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Im
Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
dabei:
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1 ein
Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Teilerschaltung;
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2 ein
Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Teilerschaltung;
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3 Signalzeitdiagramme
für die
in der erfindungsgemäßen Teilerschaltung
der 1 und 2 auftretenden Signale;
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4A–4C Prinzipschaltbilder
von Pulldown-Einrichtungen und RS-Flip-Flops für die erfindungsgemäße Teilerschaltung;
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5 Signalzeitdiagramme
der in der erfindungsgemäßen Teilerschaltung
auftretenden Signale; und
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6A–6D erweiterte
Ausführungsformen
von Pulldown-Einrichtungen für
die erfindungsgemäße Teilerschaltung.
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In
den Figuren sind, sofern nichts Anderes angegeben ist, gleiche und
funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Signale mit denselben Bezugszeichen
versehen worden.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Teilerschaltung 1.
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In
der 1 ist ein erstes Zwischenspeicherelement 2 und
ein zweites Zwischenspeicherelement 3 dargestellt. Die
Zwischenspeicherelemente 2, 3 weisen jeweils differenzielle
Dateneingänge 4, 5, 6, 7 mit
jeweils einem ersten Dateneingang 4, 6 und einem
zweiten Dateneingang 5, 7 auf. Jedes Zwischenspeicherelement 2, 3 hat
einen differenziellen Speicherknoten 8, 9, 10, 11 aus
jeweils einem ersten internen Speicherknoten 8, 10 und
einem zweiten internen Speicherknoten 9, 11. Die
internen Speicherknoten 8, 9, 10, 11 sind
innerhalb der Zwischenspeicherelemente 2, 3 auf
ein Vorladepotenzial vorladbar. Die Zwischenspeicherelemente 2, 3 weisen
Takteingänge 12, 113 auf
und sind mit zueinander komplementären Eingangstaktsignalen CN,
CP getaktet.
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Das
an dem ersten internen Speicherknoten 8 des ersten Zwischenspeicherelementes 2 abgreifbare
Signal M1 ist dem zweiten Dateneingang 7 des zweiten Zwischenspeicherelementes 3 als
Eingangsdatensignal DN2 zugeführt.
Das an dem zweiten internen Speicherknoten 9 des ersten
Zwischenspeicherelementes 2 abgreifbare Signal MN1 ist
als Eingangsdatensignal D2 dem ersten Dateneingang 6 des
zweiten Zwischenspeicherelementes 3 zugeführt. Das
an dem ersten internen Speicherknoten 10 des zweiten Zwischenspeicherelementes 3 abgreifbare
Signal M2 ist dem ersten Dateneingang 4 des ersten Zwischenspeicherelementes 2 als
Eingangsdatensignal D1 zugeführt.
Und das an dem zweiten internen Speicherknoten des zweiten Zwischenspeicherelementes 3 abgreifbaren
Signals MN2 ist dem zweiten Dateneingang 5 des ersten Zwischenspeicherelementes 2 als
Eingangsdatensignal DN1 zugeführt.
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Die
erfindungsgemäße Verschaltung
der beiden Zwischenspeicherelemente 2, 3 und insbesondere
die Verwendung der internen Signale bzw. Pegel M1, MN1, M2, MN2
liefert einen Signalverlauf, der beispielsweise in der 3 dargestellt
ist. Dabei sind in den ersten beiden Zeilen der 3 die
komplementären
Eingangstaktsignale CP, CN über
den Verlauf von hier beispielhaft acht gewählten Eingangstaktsignalphasen
TP0–TP7 dargestellt.
Dadurch, dass in den jeweiligen Eingangstaktsignalphasen TP0–TP7 entweder
die internen Speicherknoten 8, 9, 10, 11 auf
das Vorladepotenzial, beispielsweise logischen H-Pegel, vorgeladen werden und in der zweiten
darauf zeitlich folgenden Eingangstaktsignalphase die an den jeweiligen
Dateneingängen
vorliegenden Signalpegel abspeichern, ergeben sich an den internen
Speicherknoten 8, 9, 10, 11 bzw.
den damit verbundenen Dateneingängen 4, 5, 6, 7 Pulssignale,
die in der 3 mit M1, MN1, M2 und MN2 bezeichnet
sind. Diese werden, wie im Weiteren beschrieben ist, zur Ansteuerung
von Pulldown-Einrichtungen verwendet. Alternativ ist auch der Einsatz
einer Pullup-Einrichtung in einer PMOS-Architektur denkbar, wobei
ein auf das zweite Versorgungsspannungspotenzial VSS vorgeladener
Knoten durch eine PMOS-Transistor als Schaltmittel entladen wird.
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Die 2 zeigt
ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels
für die
beiden erfindungsgemäß verschalteten
Zwischenspeicherelemente zu einer erfindungsgemäßen Teilerschaltung 1.
Die Zwischenspeicherelemente 2, 3 sind hier vorzugsweise
als Leseverstärker
ausgeführt.
In der 2 sind bezüglich der
Dateneingänge 4, 5, 6, 7 und
der internen vorladbaren Speicherknoten 8, 9, 10, 11 dieselben
Bezugszeichen wie in der 1 verwendet worden.
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Der
erste Leseverstärker 2 bzw.
Sense-Amplifier (SA) ist von einem ersten Eingangstaktsignal CN
getaktet, und der zweite SA 3 ist von einem dazu komplementären Taktsignal
CP getaktet. Im Folgenden wird der Aufbau der SAs beispielhaft anhand
eines der SAs beschrieben.
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Es
ist ein erster Pullup-Transistor 15, 16 mit einer
steuerbaren Strecke 13, 14 und einem Steueranschluss 17, 18 vorgesehen,
dessen steuerbarer Strecke 13, 14 zwischen dem
ersten internen Speicherknoten 8, 10 und einem
ersten Versorgungsspannungspotenzial VDD geschaltet ist. Es ist
ein zweiter Pullup-Transistor 19, 20 mit einer
steuerbaren Strecke 21, 22 und einem Steueranschluss 23, 24 vorgesehen,
wobei dessen steuerbare Strecke 21, 22 zwischen
dem zweiten internen Speicherknoten 9, 11 und
dem ersten Versorgungsspannungspotenzial VDD geschaltet ist.
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Die
Zwischenspeicherelemente 2, 3 bzw. Leseverstärker weisen
jeweils einen ersten Datenausgang 25, 26 und einen
zweiten Datenausgang 27, 28 auf. Zwischen dem
ersten internen Speicherknoten 8, 10 und dem jeweiligen
ersten Datenausgang 25, 26 ist jeweils ein Inverter 29, 30 vorgesehen.
Zwischen dem zweiten internen Speicherknoten 9, 11 und
dem jeweiligen zweiten Datenausgang 27, 28 ist jeweils
ein weiterer Inverter 31, 132 vorgesehen. Die Inverter 29–31, 132 dienen
als Puffereinrichtungen.
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Es
sind ferner ein PMOS-Transistor 32, 33 und drei
NMOS-Transistoren 38, 39, 44, 45, 50, 51 mit
jeweils einer steuerbaren Strecke 34, 35, 40, 41, 46, 47, 52, 53 und
einem Steueranschluss 36, 37, 42, 43, 48, 49, 54, 55 vorgesehen.
Die steuerbaren Strecken 34, 40, 46, 52 bzw. 35, 41, 47, 53 sind
in Serie zwischen dem ersten Versorgungsspannungspotenzial VDD und
einem zweiten Versorgungsspannungspotenzial VSS geschaltet. Zwischen
den steuerbaren Strecken 34, 40 bzw. 35, 41 ist
der zweite interne Speicherknoten 9, 11 angeordnet.
Die Steueranschlüsse 36, 42 bzw. 37, 43 sind
miteinander verbunden und an den ersten internen Speicherknoten 8, 10 gekoppelt.
Der Steueranschluss 48, 49 ist an den ersten Dateneingang 4, 6 verbunden.
An den Steueranschluss 54, 55 ist das Eingangstaktsignal CN,
CP geführt.
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Es
sind ferner ein PMOS-Transistor 56, 57 und zwei
NMOS-Transistoren 58, 59, 60, 61 mit
jeweils einer steuerbaren Strecke 62, 63, 64, 65, 66, 67 und
einem Steueranschluss 68, 69, 70, 71, 72, 73 vorgesehen.
Die steuerbaren Strecken 62, 64, 66 bzw. 63, 65, 67 sind
zwischen dem ersten Versorgungsspannungspotenzial VDD über den NMOS-Transistor 50, 51 an
das zweite Versorgungsspannungspotenzial VSS schaltbar.
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Die
Steueranschlüsse 68, 70 bzw. 69, 71 sind
miteinander verbunden und an den jeweiligen zweiten internen Speicherknoten 9, 11 gekoppelt. Der
Steueranschluss 72, 73 ist an den zweiten Dateneingang 5, 7 gekoppelt.
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Zwischen
Leitungsknoten 74, 75, 76, 77,
die sich zwischen den steuerbaren Strecken 64 und 66, 40 und 46, 65 und 67 bzw. 41 und 47 befinden,
ist jeweils die steuerbare Strecke 78, 79 eines NMOS-Transistors 80, 81 geschaltet,
wobei dessen Steueranschluss 82, 83 auf das erste
Versorgungsspannungspotenzial VDD gelegt ist.
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Bei
auf logischem H-Pegel liegendem Eingangstaktsignal CN = 1 und auf
logischem L-Pegel liegendem komplementären Eingangstaktsignal CP =
0 sperren in dem ersten Zwischenspeicherelement 2 die PMOS-Transistoren 15, 19.
Dabei ist das erste Versorgungsspannungspotenzial VDD zuvor als
Vorladepotenzial verwendet. Gleichzeitig schaltet der Transistor 50 durch. Über die
Eingangstransistoren 44, 60 werden die vorgeladenen
Speicherknoten 8, 9 entladen. Aufgrund der komplementären Natur
von D1 und D1N wird einer der Speicherknoten deutlich schneller
Entladen als der andere. Das ausgebildete Latch unterstützt diesen
Vorgang und hält
den Zustand auch wenn sich die Eingangssignale nach der steigenden
Taktflanke wieder ändern.
Zwischen den beiden internen Speicherknoten 8, 9 wird
somit mittels der Transistoren 32, 38, 56, 58 ein
Latch aus gegengekoppelten Invertern ausgebildet. Die an den internen
Speicherknoten 8, 9 vorliegenden Pegel werden
abgespeichert. In dem zweiten Zwischenspeicherelement 3 hingegen
schalten die beiden PMOS-Transistoren 16, 20 die
internen Speicherknoten 10, 11 an das erste Versorgungsspannungspotenzial
VDD als Vorladepotenzial. Gleichzeitig entkoppelt der NMOS-Transistor 51 die
Transistoren 55, 61 von dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial
VSS.
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Liegt
in einer folgenden Eingangstaktsignalphase das Eingangstaktsignal
CN auf logischem L-Pegel (CN = 0) und das dazu komplementäre Eingangstaktsignal
CP auf logischem H-Pegel (CP = 1), sperren die Pullup-Transistoren 20, 16,
und die Transistoren 33, 39, 57, 59 bilden
ein Latch bzw. gegengekoppelte Inverter aus. Somit werden die an
den internen Speicherknoten 10, 11 vorliegenden
logischen Pegel gespeichert. Gleichzeitig ziehen die Pullup-Transistoren 15, 19 die
internen Speicherknoten 8, 9 auf das erste Versorgungsspannungspotenzial VDD
bzw. ein Vorladepotenzial. Der Transistor 50 sperrt in
diesem Fall. Ein Zwischenspeicherelement befindet sich demnach immer
in einer Vorladephase, während
das jeweils andere in einer Haltephase ist.
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Es
ergeben sich somit im Betrieb der in 2 dargestellten
Teilerschaltung 1 Signalabläufe wie sie in der 3 dargestellt
sind. In der ersten Eingangstaktsignalphase TP1 ist es das erste
Zwischenspeicherelement 2 in der Haltephase und das zweite
Zwischenspeicherelement 3 in der Vorladephase. Dadurch
werden die Potenziale bzw. Signale M2, MN2 an den internen Speicherknoten 10, 11 auf logischen
H-Pegel gebracht. Bei der darauf folgenden Eingangstaktsignalphase
TP2, also bei einer steigenden Eingangstaktsignalflanke des Taktsignals CP
und einer fallenden Eingangstaktsignalflanke des Signals CN werden
die Potenziale MN1, M1 durch die Pullup-Transistoren 15, 19 auf
logischen H-Pegel gebracht. In der folgenden, dritten Eingangstaktsignalphase
TP3 wird wiederum das zweite Zwischenspeicherelement 3 in
seine Vorladephase versetzt, wodurch das Signal MN2 auf logischen
H-Pegel steigt. Das Signal MN2 und das daraus abgeleitete gepufferte
Pulssignal P2 stellen somit einen Signalpuls 2 dar. Ähnliche
Pulse ergeben sich für
die Signalformen der Potenziale bzw. Signale M1, MN1 und M2 bzw.
der zugeordneten gepufferten Pulssignale 21, 23 und 24.
Eine etwaige zeitliche Verzögerung, beispielsweise
zwischen der fallenden Eingangstaktsignalflanke des Taktsignals
CP beim Übergang
von der Eingangstaktsignalphase TP2 auf TP3 und der steigenden Flanke
des Pulssignals MN2 sind durch die Trägheit der in der erfindungsgemäßen Teilerschaltung 1 eingesetzten
CMOS-Bauelemente bedingt.
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Die
erfindungsgemäße rückgekoppelte
Verschaltung der als Zwischenspeicherelemente verwendeten Leseverstärker 2, 3 führt somit
zu gepufferten Pulssignalen P1, P2, P3, P4, die eine gegenüber den
Eingangstaktsignalen CN, CP verdoppelte Periodendauer aufweisen.
Untereinander weisen die Pulssignale P1, P2, P3, P4 eine Phasenverschiebung
von 90° auf.
Erfindungsgemäß werden
diese Pulse zur Ansteuerung von dynamischen Speicherknoten verwendet.
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4A zeigt
vier erfindungsgemäße Pulldown-Einrichtungen 84,
die jeweils den gepufferten Pulssignalen P1, P2, P3, 24 zugeordnet
sind. Es ist jeweils ein dynamischer Speicherknoten 85 vorgesehen,
der über
einen Vorladeschalter 86, der hier als PMOS-Transistor
mit einer steuerbaren Strecke 87 und einem Steueranschluss 88 ausgeführt ist,
an ein Vorladepotenzial, welches dem ersten Versorgungsspannungspotenzial
VDD entspricht, schaltbar ist. Der Steueranschluss 88 des
PMOS-Transistors
ist dabei von einem mittels eines Inverters 89 invertierten
aufbereiteten Pulssignal ZQ1, ZQ2, ZQ3, ZQ4 gesteuert.
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Es
ist ferner eine Entladeeinrichtung 90 vorgesehen, die in
Abhängigkeit
von dem jeweiligen zugeordneten gepufferten Pulssignal 24, 21,
P2, P3 den dynamischen Speicherknoten 85 entlädt und auf das
zweite Versorgungsspannungspotenzial VSS bzw. logischen L-Pegel
entlädt.
Das an dem dynamischen Speicherknoten 85 anliegende Potenzial
wird von einem weiteren Inverter 91 invertiert und als
aufbereitetes Pulssignal ZQ4, ZQ1, ZQ2, ZQ3 ausgegeben.
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Durch
das schnelle Entladen der vorgeladenen Speicherknoten 85 über hier
als ”Pulldown-Netzwerk” bezeichnete
Entladeschalter 90 werden wohldefinierte Signalflanken
der aufbereiteten Pulssignale ZQ4, ZQ1, ZQ2, ZQ3 erzeugt. Da die
gepufferten Pulssignale P1, P2, P3, P4 jeweils um 90° phasenverschoben
sind und die Vorladeschalter bzw. Vorladetransistoren jeweils von
einem aufbereiteten Pulssignal ZQ1–ZQ4 angesteuert sind, welches
einen um 90° verschobenen
Phasenverlauf zeigt, haben die aufbereiteten Pulssignale ZQ1–ZQ4 jeweils
eine Pulslänge
oder Pulsdauer von der Hälfte
der Periodendauer der Eingangstaktsignale, wobei vernachlässigbare
Abweichungen durch Laufzeiteffekte auftreten können.
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Um
ein wohl definiertes Tastverhältnis
von beispielsweise 0,5 der ausgegebenen aufbereiteten Pulssignale
ZQ1–ZQ4
zu erzielen, werden in bevorzugten Ausführungsformen die aufbereiteten
Pulssignale ZQ1–ZQ4
RS-Flip-Flops zugeführt.
In den 4B und 4C ist
die entsprechende Ansteuerung gezeigt. Es ist ein RS-Flip-Flop 92 dargestellt mit
einem Rücksetzeingang 93,
einem Setzeingang 94, einem Datenausgang 95 und
einem komplementären
Datenausgang 96. An dem Rücksetzeingang 93 ist
das erste aufbereitete Pulssignal ZQ1 zugeführt, und an den Setzeingang 94 das
aufbereitete Pulssignal ZQ3. Die beiden aufbereiteten Pulssignale
ZQ1 und ZQ3 sind gegeneinander um 180° phasenverschoben.
-
An
den Datenausgängen 95, 96 des RS-Flip-Flops 92 sind
dann zwei Ausgangstaktsignale Q0, Q180 abgreifbar, die jeweils einem
Taktsignal entsprechen, das einerseits ein Tastverhältnis von 0,5
aufweist und andererseits die doppelte Periodendauer des Eingangstaktsignals
CN bzw. CP oder die halbe Eingangstaktfrequenz aufweist. Analog
ist in der 4C die Beschaltung eines zweiten RS-Flip-Flops 92 mit
den ebenfalls um 180° phasenverschobenen
aufbereiteten Pulssignalen ZQ2 und ZQ4 dargestellt. Diese beiden
Taktsignalpaare sind also um 90° gegeneinander
verschoben.
-
Die
Phasenbeziehungen der gepufferten Pulssignale der an den dynamischen
Knoten 85 vorliegenden Potenziale der aufbereiteten Pulssignale und
der Ausgangstaktsignale ist in der 5 näher erläutert. Ein
von der erfindungsgemäßen Teilerschaltung,
beispielsweise gemäß der 2,
ausgegebenes gepuffertes Pulssignal P1 steuert einen geeigneten
Entladeschalter 90 (4A), wodurch
der dynamische Knoten DK1 von seinem Vorladepotenzial entladen wird
und auf einen logischen L-Pegel gebracht wird.
-
Dasselbe
geschieht jeweils um 90° verschoben,
bzw. um eine Viertel Ausgangstaktperiode (eine Halbe Eingangstaktperiode)
später,
durch die Pulldown-Einrichtungen 84 für die dynamischen Knoten DK2,
DK3 und DK4. Das invertierte Potenzial bzw. der invertierte logische
L-Pegel, welches am Knoten DK1 vorliegt, entspricht dem aufbereiteten
Pulssignal ZQ1. Eine evtl. kleine zeitliche Verzögerung ist im Wesentlichen
durch den Inverter 91 bedingt.
-
Der
dynamische Knoten DK1 wird, von dem aufbereiteten Pulssignal ZQ2
gesteuert, wieder auf das Vorladepotenzial bzw. dem ersten Versorgungsspannungspotenzial
VDD oder logischem H-Pegel gebracht.
Analog werden die dynamischen Knoten DK2, DK3 und DK4 jeweils in
Abhängigkeit
von dem jeweiligen eine Halbe Eingangstaktperiode bzw. Viertel Ausgangstaktperiode
folgenden Pulssignal bzw. bei der jeweiligen steigenden Flanke auf
das Vorladepotenzial gebracht. Dadurch ergeben sich insbesondere
für die
steigenden Flanken der aufbereiteten Pulssignale ZQ1, ZQ2, ZQ3,
ZQ4 die feste Phasenbeziehung.
-
Durch
die Ansteuerung des RS-Flip-Flops 92 mittels der aufbereiteten
Pulssignale ZQ1–ZQ4
ergeben sich die Ausgangstaktsignale Q0, Q90, Q180, Q270. Beispielsweise
liefert der Datenausgang 95 des Flip-Flops 92 einen
logischen L-Pegel, wenn das an dem Rücksetzeingang 93 vorliegende
Signal ZQ1 eine steigende Signalflanke aufweist. Der Datenausgang 95 wird
auf logischen H-Pegel gesetzt, wenn an dem Setzeingang 94 des
RS-Flip-Flops 92 eine
steigende Signalflanke, hier des Signals ZQ3, auftritt. Da die jeweiligen
steigenden Flanken der aufbereiteten Pulssignale ZQ1, ZQ3 um 180° phasenverschoben sind,
ergibt sich somit ein Tastverhältnis
des an dem Datenausgang 95 vorliegenden Ausgangstaktsignals Q0
von 0,5 bzw. von 50%. Analog werden die gegenüber dem Ausgangstaktsignal Q0
um 90°,
180° bzw. 270° phasenverschobenen
Ausgangstaktsignale Q90, Q180, Q270 erzeugt.
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In
der 6 ist eine Weiterbildung der Pulldown-Einrichtungen 97 dargestellt.
Beispielsweise gemäß der 6A weist
die Pulldown-Einrichtung 97 einen dynamischen Speicherknoten
DK1 auf, der von einem Vorladetransistor 86 mit dem ersten
Versorgungsspannungspotenzial VDD verbunden werden kann. Der Vorladetransistor 86 wird
von einem Signal ZQ2, welches von einem Inverter 89 invertiert wird,
angesteuert. Der an dem jeweiligen dynamischen Speicherknoten DK1
vorliegende logische Pegel wird von einem Inverter 91 invertiert
und als Ausgangstaktsignal ZQ1 ausgegeben.
-
Es
ist eine Entladeeinrichtung 90 vorgesehen, die vier Entladezweige
aus jeweils zwei Entladetransistoren 98–105 aufweist, deren
steuerbare Strecken in Serie zwischen dem dynamischen Speicherknoten
DK1 und dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial bzw. logischen
L-Pegel verschaltet sind. Jeweils einer der Entladetransistoren 98, 100, 102, 104 ist
von einem gepufferten Pulssignal P1, P2, P3, P4 gesteuert, und der
jeweils zweite Entladetransistor 99, 101, 103, 105 von
einem weiteren Steuersignal EN1, EN2, EN3, EN4. Mittels der Steuersignale
EN1, EN2, EN3, EN4 kann somit beliebig die Phasenlage des jeweiligen
Ausgangstaktsignals ZQ1 bzw. ZQ2, ZQ3, ZQ4 bestimmt werden.
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Vorzugsweise
erfolgt eine Kodierung derart, dass immer nur einer der Entladepfade,
also die jeweils zwei in Serie geschalteten Entladetransistoren 98–105,
auf das zweite Versorgungsspannungspotenzial VSS durchschaltet.
Da erfindungsgemäß für jeden
dynamischen Speicherknoten DK1, DK2, DK3 ein Entladepuls bzw. ein
gepuffertes Pulssignal 21–24 bereitsteht, das
einen Viertel Ausgangstakt vorher bzw. nachher eine steigende Signalflanke
aufweist, ist ein störungsfreies
Umschalten zwischen den verschiedenen Phasenlagen möglich.
-
Die
in den 6A–6D dargestellten
erweiterten Pulldown-Einrichtungen
ermöglichen
damit eine Erzeugung von Ausgangtaktsignalen ZQ1, ZQ2, ZQ3, ZQ4,
wobei ohne Glitches oder Störungen
zu erzeugen eine Umschaltung in der Phasenlage in Abhängigkeit
von Steuersignalen EN1–EN4
möglich
ist. Durch geeignete Wahl der Steuersignale EN1–EN4 ist somit einfach die
Ausbildung eines Phasenrotators möglich.
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
der erfindungsgemäßen Teilerschaltung
näher erläutert wurde,
ist sie nicht darauf beschränkt,
sondern vielfältig modifizierbar.
-
Insbesondere
sind äquivalente
oder ähnliche Schalttopologien
der jeweiligen logischen Funktionen selbstverständlich durch Variation der
N- oder PMOS-Transistoren möglich.
Prinzipiell lässt
sich auch eine Pullup-Einrichtung an dynamische Speicherknoten ankoppeln,
wobei dann typischerweise PMOS-Vorladeschalter
oder PMOS-Transistoren verwendet würden.
-
Auch
die genannten Taktfrequenzen und Perioden des zu teilenden Eingangstaktsignals
sind lediglich beispielhaft zu verstehen und lassen sich auch beliebig
variieren.
-
- 1
- Teilerschaltung
- 2,
3
- Zwischespeicherelement
- 4,
5, 6, 7
- Dateneingang
- 8,
9, 10, 11
- interne
vorladbarer Speicherknoten
- 12
- Takteingang
- 13,
14
- steuerbare
Strecke
- 15,
16
- PMOS-Transistor
- 17,
18
- Steueranschluss
- 19,
20
- PMOS-Transistor
- 21,
22
- steuerbare
Strecke
- 23,
24
- Steueranschluss
- 25,
26, 27, 28
- Datenausgang
- 29,
30, 31
- Inverter
- 32,
33
- PMOS-Transistor
- 34,
35
- steuerbare
Strecke
- 36,
37
- Steueranschluss
- 38,
39
- NMOS-Transistor
- 40,
41
- steuerbare
Strecke
- 42,
43
- Steueranschluss
- 44,
45
- NMOS-Transistor
- 46,
47
- steuerbare
Strecke
- 48,
49
- Steueranschluss
- 50,
51
- NMOS-Transistor
- 52,
53
- steuerbare
Strecke
- 54,
55
- Steueranschluss
- 56,
57
- PMOS-Transistor
- 58,
59, 60, 61
- NMOS-Transistor
- 62,
63, 64, 65, 66, 67
- steuerbare
Strecke
- 68,
69, 70, 71, 72, 73
- Steueranschluss
- 74,
75, 76, 77
- Leitungsknoten
- 78,
79
- steuerbare
Strecke
- 80,
81
- NMOS-Transistor
- 82,
83
- Steueranschluss
- 84
- Pulldown-Einrichtung
- 85
- dynamischer
Speicherknoten
- 86
- PMOS-Transistor
- 87
- steuerbare
Strecke
- 88
- Steueranschluss
- 89
- Inverter
- 90
- Pulldown-Netzwerk
- 91
- Inverter
- 92
- RS-Flip-Flop
- 93
- Rücksetzeingang
- 94
- Setzeingang
- 95
- Flip-Flop-Datenausgang
- 96
- komplementärer Flip-Flop-Datenausgang
- 97
- Pulldown-Einrichtung
- 98–105
- Transistor
- 113
- Takteingang
- 132
- Inverter
- CN
- komplementäres Eingangstaktsignal
- CP
- Eingangstaktsignal
- D1,
DN1, D2, DN2
- Dateneingangssignal
- DK1,
DK2, DK3, DK4
- dynamischer
Speicherknoten
- EN1,
EN2, EN3, EN4
- Steuersignal
- M1,
MN1, M2, MN2
- potentieller
interner Speicherknoten
- P1,
P2, P3, 24
- gepuffertes
Pulssignal
- Q0,
Q90, Q180, Q270
- Ausgangstaktsignal
- TP0–TP7
- Eingangstaktsignalphase
- VDD,
VSS
- Versorgungsspannungstaktsignal
- ZQ1,
ZQ2, ZQ3, ZQ4
- Ausgangstaktsignal
- ZQ1,
ZQ2, ZQ3, ZQ4
- aufbereitetes
Pulssignal