DE1280924B - Bistabile Schaltung - Google Patents

Bistabile Schaltung

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DE1280924B DEH63008A DEH0063008A DE1280924B DE 1280924 B DE1280924 B DE 1280924B DE H63008 A DEH63008 A DE H63008A DE H0063008 A DEH0063008 A DE H0063008A DE 1280924 B DE1280924 B DE 1280924B
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Isamu Washizuka
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
H 03k
Deutsche Kl.: 21 al - 36/18
Nummer: 1280924
Aktenzeichen: P 12 80 924.4-31 (H 63008)
Anmeldetag: 14. Juni 1967
Auslegetag: 24. Oktober 1968
Die Erfindung betrifft eine bistabile Schaltung mit mindestens einem in einer ersten Stufe angeordneten aktiven Schaltungselement und mindestens einem in einer der ersten Stufe nachgeschalteten zweiten Stufe angeordneten aktiven Schaltungselement, das eine Speicher- und Flip-Flop-Funktion ausübt, und einer Kopplungsschaltung zur Übertragung von Information von der ersten Stufe zur zweiten.
Bistabile Schaltungen (Flip-Flops) sind bekannt, sie werden in großem Umfang in elektronischen Rechenanlagen als Speicherlemente verwendet. Es ist auch schon bekannt, MOS-Feldeffekttransistoren in bistabilen Schaltungen zu verwenden, die als integrierte Schaltungen aufgebaut sind.
Ein MOS-Feldeffekttransistor ist bekanntlich ein aktives Schaltungselement, dessen Elektroden mit Steuerelektrode, Quellenelektrode und Abflußelektrode bezeichnet werden sollen. Die Steuerelektrode ist mit einer gewissen Kapazität bezüglich der übrigen Teile des Transistors behaftet. Diese Kapazität hat im Betrieb des Transistors einen gewissen Speichereffekt zur Folge, der für das bistabile Arbeiten der Schaltung (Flip-Flop-Funktion) ausgeübt werden kann.
Integrierte Schaltungen unter Verwendung von MOS-Feldeffekttransistoren haben den Vorteil, daß sie verhältnismäßig einfach hergestellt und sehr gedrängt aufgebaut werden können. Integrierte bistabile Schaltungen mit Feldeffekttransistoren lassen jedoch in mancher Hinsicht noch zu wünschen übrig. Es ist beispielsweise eine mit Verzögerungseffekten arbeitende bistabile Schaltung bekannt, die mindestens zwei verstärkende Bauelemente enthält, die eine gewisse Speicherzeit haben und hintereinandergeschaltet sind, außerdem ist zwischen dem verstärkenden Bauelement der zweiten Stufe und dem verstärkenden Bauelement der ersten Stufe eine Rückkopplungsschaltung vorgesehen, so daß eine Schleife gebildet wird. Die Kopplungsschaltung zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe und die Rückkopplungsschaltung zwischen der zweiten Stufe und der ersten Stufe enthalten außerdem Schalter, die gleichzeitig durch ein gemeinsames Synchronisierungssignal gesteuert werden. Bei einer solchen Schaltungsanordnung können jedoch Instabilitäten auftreten, die eine einwandfreie Speicherung der Information unmöglich machen, wenn der Zustand der zweiten Stufe (leitend oder nichtleitend) wechselt, eine neue Eingangsinformation im verstärkenden Bauelement der ersten Stufe gespeichert wird und die Schalter in der Kopplungsschaltung und der Rückkopplungsschaltung zwischen den beiden Stufen Bistabile Schaltung
Anmelder:
Hayakawa Denkikogyo Kabushiki Kaisha,
Osaka (Japan)
Vertreter:
Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,
Patentanwälte, 8000 München 23, Dunantstr. 6
Als Erfinder benannt:
Isamu Washizuka, Osaka;
Hitoshi Hanahara, Nara-ken (Japan)
Beanspruchte Priorität:
Japan vom 15. Juni 1966 (4139 098)
dann gleichzeitig durch ein Synchronisierungssignal geschlossen werden.
as Angenommen, die verstärkenden Bauelemente seien MOS-Feldeffekttransistoren mit P-Kanal, in der Steuerelektrodenkapazität des Transistors der zweiten Stufe sei vorher eine negative Ladung gespeichert worden und die Abflußklemme des Transistors der zweiten Stufe habe die Spannung Null und eine neue Eingangsinformation werde zugeführt und eine negative Ladung werde in der Steuerelektrodenkapazität des Transistors der ersten Stufe neu gespeichert, so leitet der Transistor in der ersten Stufe, und seine Abflußklemme hat dann die Spannung Null. Die durch das Abflußpotential der ersten Stufe in diesem Zustand dargestellte neue Information sollte nun in die zweite Stufe übertragen werden, wobei jedoch das Potential Null, das von früher her vorhanden ist, dazu neigt, die negative Ladung in der Steuerelektrodenkapazität der ersten Stufe zu kompensieren, wodurch die neue Information ausgelöscht würde. Es ist daher notwendig, der Rückkopplungsschaltung eine gewisse Zeitkonstante zu geben, um Störungen der obenerwähnten Art zu vermeiden. Bisher war es üblich, zu diesem Zweck verstärkende Bauelemente mit verschiedener Steilheit oder verschiedener Steuerelektrodenkapazität zu verwenden. Dies ist jedoch keine befriedigende Lösung, da es sich bei diesen Größen um anologe Größen handelt, die einer starken Exemplarstreuung unterworfen sind und es außerdem schwierig ist, in integrierten Schaltungen
809 628/152S
mit unterschiedlichen
verstärkende Bauelemente
Eigenschaften herzustellen.
Diese Schwierigkeiten werden gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die Rückkopplungsschaltung zwischen dem aktiven Schaltungselement der zweiten Stufe und dem aktiven Schaltungselement der ersten Stufe eine gewisse digitale Zeitspanne nach der Kopplungsschaltung zwischen den beiden Stufen geschaltet wird. Bei einer solchen
transistor 4 durch einen Taktimpuls Γ 2 aufgetastet. Der verstärkende Flip-Flop-Transistor 2 der zweiten Stufe wird hierauf synchron mit dem Taktimpuls Tl angesteuert, und die Information wird in die Steuer-5 elektrodenkapazität des Transistors 2 der zweiten Stufe übertragen. Während dieser Vorgänge besteht ein Kopplungsweg von der ersten Stufe zur zweiten Stufe und ein Rückkopplungsweg von der zweiten Stufe zur ersten Stufe wie bei den bekannten Schal-Schaltung ist es unnötig, aktive Schaltungselemente ίο tungen; der Rückkopplungsweg zur ersten Stufe ist mit unterschiedlichen Steilheiten oder Steuerelek- jedoch bei der vorliegenden Schaltung durch den trodenkapazitäten zu verwenden, außerdem ist ein
wesentlich stabilerer Betrieb gewährleistet als bei den
bekannten Schaltungen.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt
F i g. 1 ein Schaltbild einer bistabilen Schaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeits- ao Eingangssignal E sowie die Spannungen an den weise der in F i g. 1 dargestellten Schaltung, Punkten A, B, C, D in F i g. 1 angegeben. Wie aus
der Zeichnung ersichtlich ist, tritt am Punkt D ein Ausgangssignal auf, das um eine Periode der Synchronimpulse Γ2 bezüglich des Eingangssignals ver-25 zögert ist. Wie die rechte Seite der Kurven zeigt, wird beim Fehlen eines Taktimpulses Tl das Eingangssignal zyklisch weiter gespeichert. Bei Verwendung der beschriebenen Schaltung in einem Register einer Rechenanlage dient die Schaltung als Speichereinheit In F i g. 1 ist das Ausführungsbeispiel der Erfin- 30 für ein Bit, und der Schalttransistor 3 steuert die dung eine synchronisierte, statische bistabile Schal- . Informationsübertragung von Bit zu Bit.
Schalttransistor 5 in digitaler Weise noch für eine bestimmte Zeitspanne gesperrt, so daß ein stabiler Betrieb gewährleistet ist.
Der der gespeicherten Information entsprechende Zustand bleibt bestehen, bis wieder ein Eingangssignal zugeführt wird, worauf erneut die Informationskopplungsschleifen gebildet werden.
In den übrigen Kurven der Fig. 2 sind ferner das
F i g. 3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das eine Weiterentwicklung des in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels darstellt, und
Fig. 4 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
In den Figuren sind entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
tung (Flip-Flop), die mit Verzögerungseffekten arbeitet, dargestellt. Die Schaltung besteht ausschließlich aus MOS-Feldeffekttransistoren, die jedoch nicht alle als Transistoren arbeiten.
Die Transistoren 1, 2 arbeiten als verstärkende Schaltungselemente mit Speicherzeit und bilden einen bistabilen Kreis. Die Steuerelektroden dieser Transistoren sind jeweils mit der Ausgangsklemme der
Wie oben erwähnt, könnte man auch in Betracht ziehen, die Taktimpulse Π an Stelle der Taktimpulse Tl und Γ 3 im verstärkenden Schaltungselement 1 der ersten Stufe zu verwenden, nachdem das ver-. stärkende Schaltungselement 2 der zweiten Stufe vollständig anspricht, dies ist jedoch unzweckmäßig, da die verstärkenden Schaltungselemente 1, 2 dann bezüglich ihrer Charakteristik als analog veränder
vorhergehenden Stufe verbunden, die Quellenelek- 40 liehe Größen behandelt werden und verschiedene
troden liegen an Masse, und die Abflußelektroden Steuerelektrodenkapazitäten oder Steilheiten haben
sind über Arbeitswiderstände, auf die noch näher müssen.
eingegangen wird, mit einem Pol einer nicht näher Wenn die Schaltungselemente 1 und 2 aus Verdargestellten Betriebsspannungsquelle V verbunden, stärkern mit Speicherzeit an Stelle von MOS-FeIdderen anderer Pol geerdet ist. Die Schaltung enthält 45 effekttransistoren bestehen, können Breite und Phase ferner Schalttransistoren 3, 4, S, die als Schalter der Taktimpulse entsprechend gewählt werden, um arbeiten und durch Synchronisierungs- oder Takt- der Speicherzeit der Verstärker Rechnung zu tragen, impulse T1, Tl bzw. Γ3 gesteuert werden, die an Fig. 3 ist ein grundsätzliches Schaltbild eines den Steuerelektroden dieser Transistoren liegen. Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem übliche
Die Arbeitswiderstände für die Flip-Flop-Tran- 50 Flächentransistoren (bipolare Transistoren) an Stelle
sistoren 1, 2 werden durch Feldeffekttransistoren 6 von Feldeffekttransistoren verwendet werden. Die
bzw. 7 gebildet, deren Steuerelektroden mit den Ab- Speicherzeit eines Flächentransistors kann durch die
flußelektroden kurzgeschlossen sind. Ansteuerung beeinflußt werden, so daß man an Stelle
Die ersten drei Kurven der F i g. 2 zeigen den zeit- der Verstärkungselemente 1 und 2 in F i g. 1 also
liehen Verlauf der Taktimpulszüge Tl, Tl, T3, die 55 auch gewöhnliche Flächentransistoren 21 und22ver-
die Schalttransistoren 3, 4 bzw. 5 steuern. Die Takt- wenden kann, wenn man diese genügend übersteuert.
impulse Tl und Γ 3 sind um eine gewisse digitale Zeitspanne bezüglich der Taktimpulse Γ1 verschoben, die als Bezugsimpulse angesehen werden können.
Die beschriebene Schaltung arbeitet folgendermaßen: Wenn am Schalttransistor 3 ein Eingangssignal E liegt und ein Taktimpuls Tl an der Steuerelektrode dieses Transistors auftritt, wird dieser
Die Schalter 23, 24 und 25 sind nur schematisch dargestellt, sie entsprechen den Transistoren 3, 4, 5 in F i g. 1 und werden wie diese durch die synchronisierenden Taktimpulse Tl, Tl bzw. Γ3 gesteuert. Das Schaltbild der Fig. 4 stellt eine bistabile Schaltung vom JK-Typ dar, bei dem der obenerwähnte, mit Verzögerung arbeitende Flip-Flop-Kreis verwendet wird. Bei der in F i g. 4 dargestellten
Schalttransistor aufgetastet, und die durch das Ein- 65 Schaltung ist die Eingangsklemme E' mit Gattertran-
gangssignal E dargestellte Information wird in der sistoren 9,10 bzw. 8,11 verbunden, die durch äußere
Steuerelektrodenkapazität des Transistors der ersten Signale 7 und Έ. bzw. eigene Ausgangssignale Q und ~Q
Stufe gespeichert. Anschließend wird der Schalt- gesteuert werden.
Da die Speicherung von Information bei den bistabilen Schaltungen gemäß der Erfindung mittels dreier Synchronimpulszüge verschiedener Phasenlagen und durch Schließen der Rückkopplungsstrecke zum verstärkenden Schaltungselement der ersten Stufe in digitaler Weise nach vollständigem Ansprechen des letzten verstärkenden Schaltungselementes erfolgt, ist ein ganz wesentlich stabileres Arbeiten gewährleistet als bei den bekannten Schaltungen, die Schaltungselemente mit unterschiedlichen Steilheiten oder Steuerelektrodenkapazitäten enthalten. Die vorliegenden Schaltungen können sowohl statisch als auch dynamisch betrieben werden, je nachdem, ob der synchronisierende Impulszug Γ1 vorhanden ist oder nicht, außerdem können Verschiebungs- und Speicherzustände ohne Schwierigkeiten gesteuert werden. Die Schaltungen lassen sich auch ohne Schwierigkeiten als integrierte Schaltungen herstellen, vor allem die Schaltungen gemäß F i g. 1 und 4, die außer Feldeffekttransistoren keine anderen Schaltungselemente enthalten.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Bistabile Schaltung mit mindestens einem in einer ersten Stufe angeordneten aktiven Schaltungselement mit Speicherfunktion, mindestens einem in einer der ersten nachgeschalteten zweiten Stufe angeordneten aktiven Schaltungselement mit Speicherfunktion, einer Kopplungsschaltung zur Übertragung von Information von der ersten zur zweiten Stufe und einer Rückkopplungsschaltung zwischen der zweiten und der ersten Stufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung (5, 25) zwischen dem aktiven Schaltungselement (2) der zweiten Stufe und dem aktiven Schaltungselement (1) der ersten Stufe eine gewisse digitale Zeitspanne nach der Kopplungsschaltung (4) zwischen den beiden Stufen geschaltet wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsschaltung und die Rückkopplungsschaltung jeweils einen Schalter (4,24 bzw. 5,25) enthalten, deren Schaltzeiten durch gegeneinander phasenverschobene Synchronsignale (T 2, Γ 3) gesteuert sind.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal (E) dem aktiven Schaltungselement (1) der ersten Stufe über einen Schalter (3, 23) zugeführt ist und daß dieser Schalter sowie die Schalter (4, 24 bzw. 5, 25) in der Kopplungs- bzw. Rückkopplungsschaltung durch drei Synchronisationssignale (Tl, T 2, T 3) gesteuert sind, deren Phasen jeweils digital und sukzessive so gegeneinander verschoben sind, daß die Informationsübertragungswege nacheinander geschaltet werden.
4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Eingang zum Schaltungselement (1) der ersten Stufe Gatterelemente (8, 9, 10, 11) geschaltet sind, die durch äußere Signale (K, T) sowie komplementäre Ausgangssignale (Q, Q~) des Schaltungselementes (2) der zweiten Stufe gesteuert sind.
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselemente aus Flächentransistoren mit relativ großer Speicherzeit bestehen.
6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stufe mindestens einen MOS-Feldeffekttransistor (1) enthält, der eine Steuerelektrodenkapazität aufweist und als Flip-Flop arbeitet, daß die erste Stufe mit dem Schaltungselement (2) der zweiten Stufe über einen geschalteten Kopplungsweg (4) verbunden ist, daß die zweite Stufe mit der ersten Stufe über einen Rückkopplungsweg (5) verbunden ist, der eine digitale Zeitspanne nach dem Kopplungsweg geschaltet wird, und daß Information in der Steuerelektrodenkapazität gespeichert wird.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungsweg und der Rückkopplungsweg jeweils durch einen MOS-Feldeffekttransistor (4, 5) gebildet werden.
8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Schaltungselemente (1, 2) mit MOS-Feldeffekttransistoren (6 bzw. 7) verbunden sind, die als Arbeitswiderstände arbeiten.
9. Schaltung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung als integrierte Schaltung ausgeführt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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