DE1474388A1 - Speicheranordnung mit Feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

DHt.-1*0. ΜΛ, BOMBI

TOJ Böblii*en Bln&ltUmfi* 3tr. 49 fwnepreoher (O 70 Jl) 6 61 50 40

Dr. Expl.

Bob 1 Ingen, 6. Oktober 196$ bu-ko·

AnMld«r : Int·rational Bu*ines* Machine· Corporation, Arsonic, H. Y. 10904

Amtliche* Aktenseionem lfeuaxmeldung Akten«, der Anmelderin» Dooket 10 797

Speicheranordnung rclt Feldeffekttraneigtoren

Die Erfindung betrifft eine Speicheranordnung mit Feldeffelcttranel·- toren für binär codierte Daten,

Hierzu dienen bisher bistabile Kippstufen, die aus aktiven und passiven Schaltelementen aufgebaut sind und z.B. nach Art eines bistabilen Multivibrators zusennengeschaltet sein kennen. Die Tendenz in Jer Herstellung von Sch?·ltungseloheiten seht nun taehr und mehr dahin im Zu£e einer Mikrominiaturisierung kompakte Baugruppen bereitzusteilen, die UfI geringerer Leistungsaufnahme eine größer³ Packungsdichte erlauben. Hierbei 1st es von bes^ndere^ Vorteil, wenn eine solche Baugruppe lediglich aus aktiven Schaltelementen besteht, da dann die Verlustleistung, die in Porm von Warme abgestrahlt wird, auf ein Minimum beschränkt wird. Bei der Üblichen Anwendung von einer Vielzahl von solchen Speicher«;lementen Ln einer modernen Rechen^nlage ist die Auswirkung der sich so vervielfältigenden Verlustleistung äu.3erat atf rend. Es ist daher bereits eine bistabile Kippschaltung

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vorgeschlagen worden, die lediglich nus aktiven Schaltelementen besteht und zwar aus Feldeffekttransistoren (siehe Digest of Technical PapeVs for the Solid State Ciroults Conference, Februar I)^, Seite 35# )

Abgesehen davon, da3 die bekennte Schaltung die bei bistabilen MuIt !vibratoren auf tretenden und bei den heutzutage mehr und mehr angestrebten kurzen Impulezeiten, verhÄltnisn^Sig lange Umsch&ltzeiten aufweist, ist die eigentliche Sehaltun^\Aich relativ aufwendig und kompliziert.

Zur Vermeidung der oben genannten MachteHe besteht die Auf9.be der Erfindung darin, eine Speieheranordnung mit Feldeffekttransiatoren zu sehaffen, die nicht als bistabile Kippschaltung aufgebaut ist, bei gegenüber bisher geringeren Aufwand und möglichst einfachen Schaltungsaufbau, so daß eine Massenherstellung rationeller durchgeführt werden kann. Weiterhin soll die Speicheranordnung für die Verwendung in Schieberegistern besonders geeignet sein.

Bei einer 3peicheranoranung mit Feldeffekttrensiytoren für binär codierte Daten'wird demnach die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerelektrode eines Spe lohe rf eldef feiet tr&na istora, dessen Sin* gangskupazität als Speicherelement dient, und die Über eine Schaltvorrichtung '-Ji die Betriebstpannungiquelle angeschloslen ist» mit dem Kopplungsglied zweier kaskadenartig hintere matter an die Betriebsspannuntf&qufcUe π nae schloss ent r Sehsltfeldeffekttrandietoreii vo· jeweils entge^engeseteten L*jltfäMLkeitatyp verbunden 1st«

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einem über seine Steuerelektrode ein D-iteninpuls und dem uröeren Über die entsprechende Steuerelektrode ein demgegenüber kürzerer Talctgeberlmpula in Koinzidenz aber gegenseitig zeitlich versetzter Anatice»- und Abstiegsflanke zugeführt werden.

Der Taktgeberimpuls dient dabei lediglich dazu* die Speicheranordnung nach Zuführung eines Datenixnpulees wieder zurückstellen zu können. Der Speicherzuetand aelbst kMin unter entsprechender Steuerung der mit dem Speicherfeldeffototransistor verbunden ochaltvorrichtung abgefragt werden. Die Wirkungsweise der erflittiungsgemUCen Speicheranordnung la"3t sich gemaü einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verbessern,wenn nie Kopplungs^lieU das in einfachsten Falle rus einer leitenden Verbindung bestehen kr.nn, der beiden ereten Sohaltfeldeffekttraiisistoren ein dritter Schaltfeldeffektlransiator vo· gleichen LeitfUhi£k jitstyp wii· der .ichaltfeldeffekttrajisistor dient, dessen Stjsuertlcktrode der Dateni:r.r uls zugeführt wird. Hierbei nu2 dann über der oteuerclektrode des dritten öchaltfeldeffekttransistors «.-in zweiter Takt geber Impuls zugeführt werdc;n, der gegenüber c:e:r. erateii cerUij^fU^ih «ititlich verzögert aber ptwa gleicher lir.pulsdt-uer ist. ZIr. solcher T^kt/jeeerinpuls dient cann zu/n Aufsetzen der 3peloher<inordnung_fwe^ann Jer durch einen l;_tJtenir.puls gesteuerte j;lelchzeiti£ mit dem !rltter. Gchaltfcldeffekttr-insir tor in den leitendien Zuitunä gelangt, !''lese Maßnahmen sind zweck-Täß-£ und vorteilhaft, wenn die orf.nduagnjr.ewAße Sp.eicherar.ordnunc als Verzcgerur.t::-.:: led eingeüetzt

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Ein verhältnismäßig einfacher Uohaltungsaufbau ergibt sich, wenn der apeichtrfeltleffekttransistor vow gleichen Leitfähigkeitstyp ist, wie der· Schaltfeldeffekttransiütor, dem der Datenirapul3 zugaführt wird und als Schaltvorrichtung mindestens ein vierter Schültfcldeffekttranslstor dient, der Über ein weiteres Kopplungsf.lied mit dem Speicherfeldtffekttransiator in Kaskade geschaltet i3t aber demgegenüber von entgegenge «toten LeltfUhigkeitstyp ist. wobei die Ausgangs spannung am Koppluncsglied abgegriffen wird, und der Steuerelektrode des vierten Schaltfeldeffektfcransfetors ein dritter gegenüber der» zweiten geringfügig verzögerter Taktgeberimpuls züge rührt wird. I>?r Vorteil des so vereinfachten Scbcltungsaufbeus wirkt sich insbesondere dum aus» wenn die erfindtingsgeir.üEe Speicheranordnung als Stuf ο eines Schieberegisters dient.

Eö sind zwar bereits Schieberegister bekannt geworden« bei denen die Speicherelemente aus Konciene&toren bestehen. Bei diesen 3cn&ltungsanordnungen besteht aber ebenfalls wieder der Nachteil, daß aktive und passive Schaltelemente verwendet werden raUesen» deren Leiutungsbewarf gegenüber einer erfindungeseroäben Schaltungeanordnung von groflem Kachteil iüt.

Venn,wic oben gesagt« als SchaItvorrichtung ein vierter 8ohfcltf»MU*

effekttransiator verwendet wird, dann dient in gwfettn Sinne der « ■'.Schalt-Feldeffekttranslstorj dem die Datenalgnale piMfiihpt **</>****- SpeichcrfelcTeTfelcttrrjieTetCtt· wle^Ser ö&cn tmgegebeneT Eine vortejT·

hafte Betriebewöiaie gemää der oben angegebenen Weiterbildung der

Erfindung lK.1t sich dann auh hier erzielen, wenn als Kopplungsglied

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ein fünfter Sohaltfeldeffekttransistor dient. In diesem Fälle muß dann ein vierter Taktgeberimpuls, der gegenüber dem dritten geringfügig verzögert 1st, verwendet werden. Für einen Speicherfeldeffekttranaistor,der mit dem zweiten Kopplungsglied verbunden ist, wirken dann der dritte und der vierte Taktgeberimpuls in gleicher Welse wie der erste und zweite Taktgöberimpuls für den ersten Speicherfeldeffekttransistor. Für einen Betrieb als Gchieberegister ist es dabei wesentlich, daß die vier Taktgeber impulse während eines Dateninpulses auftreten. Auf Grund Je ν reaJtiv einfaohen Schaltung gena"3 der Erfindung und unter Berücksid\tC$un ξ der Tatsache, daß die erfinduagsgemäße Schaltung ledigiicK AüS

«Jctiven Schaltelementen besteht, die sioh in integrierter och&Itungsbauwei&e relativ leicht erstellen läßt, dürfte es ohne weiteres klar sein, da3 selbst eine Schaltungsanordnung, die sich c-us einer großen Anzahl· von erfindungsgemäßen Speicheranordnungen zusammensetzt, rationell in Massenfertigung hergestellt werden kann.

.Weitere Vorteile und Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der nachfolcenden Beschreibung, die anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen die Erfindung näher erläutert, und au3 den Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgenäBen Speicheranordnung,

Fig. 2 ein erstes Auaführungsbe1spiel eines Schieberegeters, das sich aus ejvpindungsgenäßen Spdeheranordnungen zusammensetzt, 909850/1027

FiS· 3 Impulse!iagraarcne zur Erläuterung der Wirkungsweise der erf lndungsgeinäßen Schaltung,

Fi;;. 4 ein zweites Ausfihrungsbeispiel für ein Schieberegister, in dein eri*indungsgeciä3e Speicheranordnungan verwendet werden.

Die Anordnung gem&S der Erfindung besteht ganz allgemein au3 einer ψ Schaltung zum Speichern elektrischer Signale, die drei kaskadenförmig in Serie geschaltete Feldeffekttransistoren aufweist. Ein vierter Feldeffekttransistor 1st mit seiner Steuerelektrode direkt an die Verbindungsstelle D zwischen des zweiten und des dritten Feldeffekttransistor angeschlossen. Durch eine weiterhin vorgesehene Schaltvorrichtung kann der vierte Feldeffekttransistor wahlweise an eine geeignete Vorspannungsquelle angeschlossen werden, um seinen Leitfähigkeitszustand feststellen zu können. Ein erster TJetimpulsgeber Iä2t den dritten Feldeffekttransistor periodisch leitend wer-. den, und darauf wird Jeweils ein Datensignal der Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors zugeführt. Ein zweiter Taktimpulsgeber gibt einen mit dem Impuls des ersten Taktirapulsgebers nicht koinzl- -. dierenden Impuls ab, so daß der zweite Feldeffekttransistor gleichzeitig cit Anlegen des Datensignels an die Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors in den Leitfählgkeitszuatand gebracht wird.

Bei der erfindungsgeraü3en Schaltung wird die Kapazität am Verbindung·* punkt D zum Speichern eines Signalee wahrend eines längeren Zeitabschnittes ausgenutzt. Diese Kapazität ergibt sieh in erster Lini*

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auc der Kapazität zwischen Seuerelektrode und Quellelektrode des vierten Feldeffekttransistors. Der dritte Fe lef fototransistor wird unter Steuerung eines T*ktinipülses wirksam« um die Speicherschaltung In den Anfangszustand zu versetzen, d.h. eine erste elektrische Ladung aus der Vorspannungsquelle der Schaltung wird gespeichert* während der erste Feldeffekttransistor zur Dateneingabe dient und <e ntch dem Zustand des Eingrjigsdatenßignals in den Leltfählgkeitszustand bzw. nichtleitenden Zustand gebracht wird. Dar swelte Feldeffekttransistor wirkt ic» Ansprechen auf den zweiten Taktimpuls I im wesentlichen als Abtast- und trennschalter, der es ermöglicht, dp.3 das unter Wirkung der Kapazität zwischen Steuerelektrode und Quellelektrode des vierten Feldeffekttransistors gespeicherte Signal. zur Erde abgeleitet werden kann, falls ein Datensignal den ersten Feldeffekttransistor leitend gemacht hat. Der zweite Feldeffekttransistor könnte dann naturlich' fortfallen, falls es nicht er forder Höh wäre, das im vierten Feldeffekttransistor gespeicherte Signal unbeeinflußt zu lassen. In den in Flg. 2 gezeigten als Schieberegitter ausgebildeten AusfUhrungsbeispiel wird der zweite FeldeffekttransIstordeshnlb benötigt, daalt Sohiebeoperationen durchgeführt werden können, wie es.nachstehend Im einseinen noch beschrieben wird·

Der Feldeffekttransistor selbst und seine Keratel&bc fallen nlefct in den Rahmen der Erfindung· da hierüber bereits Sahirelohe Veröffentlichungen vorliegen. Siehe hier s.B. Digest of Technical Papers for the Solid State Circuits Conference, Februar 1963 "Nanowatt Logle Using Pleld-Effeot Metal-Oxide Semiconductor Triode«" von Wan}a*s und Sah, Seiten 32 und 33. Allgemein kann gestigt werden, daß die

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Quellelektrode, die Steuerelektrode und die Saugelektrode des Feldeffekttransistors in eier Wirkungswelse der Emitterelektrode, der Basiselektrode bzw. der Kcllektorelektrode eines normalen Transistors entsprechen. Das Hauptmerkmal des Feldeffekttransistors« welches zum Aufbau von Speicherschaltungen ohne Anwendung sekundärer Speichereinrtchtungen anregt, ist die Kapazität zwischen Steuerelektrode und Quellelektrode, die einen Durchschnittswert von ca. J p? einnimmt. Auf Grund dieser Tatsache in Verbindung mit der Möglichkeit den Feldeffekttransistor in Planaltechnik zu erstellen, also als Massenfabrikat bzw. als Bestandteil integrierter Schaltungen, 3ind vorliegende, solche Transistoren verwendende Schaltungen gans besonders vorteilhaft. · ·

Zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Speicherschaltung 1st kein passives SchalteIbment, wie z.B. Wideretand, Kondensator» Induktionsspule uew. erforderlich, sondern es sind lediglich Feldeffekttransistoren allein als aktive Schaltelemente und direkte Verbindungeleitungen zwischen Elektroden und Betdebs8tromquellen nötig. Die * Slgnalspelcher-Grundsohaltung gemäß der Erfindung kann natürlich in einer Anzahl verschiedener Anwendungen benutzt werden, die lur 8peioherung binKrer Signalinformation'dienen soll.

Sie eignet sich aber ganz besonders zur Verwendung in der in FIe- 2 dargestellten Schieberegisteranordnung. Ein solches Schieberegister besteht aus mehreren Speicher-Grundschnltungen..Jede Kaskade «us drei In Serie geschalteten Peldeffekttransistoren bildet dabei eine

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BAD ORIQlNAU

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halbe Stufe des Schieberegisters. In diesem Ausführungsbeispiel stellt aber der in der oben erwähnten Speicher-Grundschaltung beschriebene vierte Feldeffekttransistor gleichzeitig den ersten Feldeffekttransistor der nachfolgenden halben Stufe bzw. Kaskade dar. Der ersten Kaskade wird demnach ein Datensignal aus einer externen Signalquelle zugeführt, während alle nachfolgenden Kaskaden ihr Jeweiliges Eingangssignal vom Verbindungspunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Feldeffekttransistor der Jeweils vorhergehenden Kaskade erhalten.

Alle Kaskaden des Schieberegisters gemäß Fig. 2 sind paarweise angeordnet« wobei ein Paar jeweils aus einer geradzahlig und einer ungeradzahlig bezifferten Kaskade besteht. PUr Jede Bitstelle sind also zwei Kaskaden vorgesehen, eine gerad- und eine ungeradzahlige. Wie noch im einzelnen erläutert wird, erhalten die ungeradzahligen Kaskaden Jeweils einen Rückstell_T und Abtastlntpuls aus einem ersten Taktgeber während allen geradzahligen Kaskaden ein Rückstell- und Abtastimpuls aus einem zweiten Taktgeber zugeführt wird. Eine Stufe des Schieberegisters dient hierbei zur Speicherung oder zur Bildung einer einzelnen Registerhitstelle und besteht aus zwei als Halbstufen wirksamen Kaskaden, denen jeweils besondere und unterschied· liehe Taktimpulse zugeführt werden. ;

Das Schieberegister gemäß der Erfindung weist, wie eich au« der Darstellung in Fig. 2 ergibt, keine pa siven Schaltelemente und nur ein Minimum an aktiven Schaltelementen zum Aufbau einer vollständiges Schieberegisterstufe auf. Demgegenüber benötigen bekannte. Sehietie>

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registerstufen, zur Durchführung derselben logischen Punktionen wie im vorliegenden Fall, bis zu sechzehn Transistoren. Der Aufwand 1st also bei der erfindungsgemäßen Speicherschaltung wesentlich geringer« so da3 für den Aufbau eines Schieberegisters gemäß der vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei einer extrem großen Speicherkapazität der Raumbedarf gegenüber bisher wesentlich verringert wird.. Gleichzeitig damit wird der Leistungsbedarf ' . herabgesetzt. Dies letztere trifft insbesondere angesichts der T-tsache zu, daß in einer Speicher-Grundschaltung jeweils nur soviel Gleichstrom fließt, wie für das Auf- und Entladen der Kapazität zwischen Steuerelektrode und Quellelektrode dee Speicher-Feldeffekttransistors benötigt wird.

Vielleicht noch wichtiger ist aber die Tatsache, da3 der Feldeffekttransistor im wesentlichen eine Plenarvorrichtung 1st· die eioh in Idealer Weise sowohl für die Miniaturisierung als auch für die

Massenherstellung eignet, worunter natürlich in gewisser Weise auch . bei

die integrierte Schaltungstechnologie fällt,/der eine groäe Anzahl von Vorrichtungen in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden kann. Obwohl Einzelheiten betreffend die Herstellung eines Feldeffekttransistore nicht zur Erfindung gehören^ sei dennoch darauf hingewiesen, dafi ein vollständiges, geftMS der Erfindung aufgebaut·· Schieberegister auf einen einzigen Substrat sowohl nlttels verschiedener Marklerungs- und DotlerungsarbeitsgSnge als auch durch Aufbringen von Isolierschichten und Bandleitungen hergestellt w«rd«H kann.

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- li -

Die erfindun&sgeirüSe ScJultung ist nicht nur bei Schieberegistern verwendbar, sondern ist auch mit Erfolg bereits eis Ersatz für viel umfangreichere und aufwendige magnetostrlktive Verzögerungsleitungen zur Kurzzeitspeicherung eingesetzt worden. Die rcit einer solchen Vorrichtung zu erzielende Verzögerung ist sehr groß, da wie gesagt, Jede Stufe eine Ladung während eines längeren Zeitabschnitts speichern kann. Für die Praxis ist dabei zu beechten, deB die Begrenzung im Betrag der Bitverzögerung zwischen einzelnen Schaltschritten hauptsächlich durch die Signdfrequenz oder die Abtastfrequenz bedingt 1st« was bedeutet, daß die Bits im Schieberegister schrittweise weitergesohaltet werden müssen, damit neue Bits richtig zugeführt und -entsprechend eingegeben werden können.

Die ersten beiden Feldeffekttransistoren Jeder Kaskade bilden gewissermaßen eine UND-Schaltung wnü können aus einen Block bestehen, der eine geteilte Steuerelektrode besitzt, wie es z.B. Ur. IBK Technical Disclosure Bulletin, Bd. 7» Nr. 1, Seite 7 beschrieben 1st. Die logische Funktion der beiden ersten, also der jeweils unteren * Feldeffekttransistoren in Fig. 1 und 2 stellt Insofern im wesentlichen eine UND-VerknUpfung dar, al· beide la den leitenden Zustand geschaltet werden müssen, um den an Verblndungapunkt swleohen zweiten und dritten Feldeffekttranslator herrschenden Ladungszustand su Indern, wie es in einseinen nooh ausführlich beschrieben wird.

Neon diese« allgemeinen Überblick folgt nun die nähere Erläuterung 4er Schaltungen an Hand der Zeichnungen.

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Fig. 1 stellt eine Speicher-Grundschaltung dar, in der eine binäre "l" oder "Ο" durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Ladung er. der Kapa-Sltlt cqblldet aus Steuerelektrode und Quellelektrode des vierten Feldeffekttransistors angezeigt wird. Der jeweilige Ladungszustand wird dabei durch eine Prüfung des Leitfähigkeitszustandes des vierten Feldeffekttransistors mit Hilfe einer geeigneten-Schalteinrichtung festgestellt. Dabei kann es sich um eine beliebige als /^tastschalter wirkende Schaltvorrichtung handeln, die die Aufgabe hat, den als 3peiohtrtranaistor v.irkenden vierton Feldeffe'kttransistor periodisch an eine Vorspfnnun£squelle zu legen. In Fig. 1 wird der Spetahertransistor aus dem vierten Feldeffekttranietor T_D gebildet, der eine Steuerelektrode IC, eine Quellelektrode 12 und eine Saugelektrode 14 besitzt. Der Abtastschalter 10 ist so nagelegt, da3 der Feldeffekttransistor T^ en eine -lCV-Gpannungsquelle angeschlossen wird, wenn sein Leitfähig -keitszuatond abgetastet werden soll, i'rin Anliegen eines negativen Signals ar. dor Steuerelektrode 10 dieses PNP-Feldeffekttrensistors T^ ergibt sicii bcir.1 3chlle3en des Abtastschaltcre lG ein StronifluS durch den SpeichertrcJiGistor. liatiirlich können viele verschiedene Arten von Ab-' taatschr.ltungen bzw. Schaltvorrichtungen zum Abtasten des LeitfUhigkeitszustandos des Transistoro Τ_β ohne Hervorrufen eines besonderen Stronfluies in der Vorspannungssehaltung verwendet werden. Eine solche andere Möglichkeit ergibt sich aus dem in Pie, ? dargestellten Schieberegister.

Die Ladungespeieherung an der Steuerelektrode 10 des Feldeffekttran-.slstors T_D geschieht im einzelnen wie folgt: Die Steuerelektrode ist am ^wischen zweiten und dritten Feldeffekttransistor T_D und T„ lelgenden Verblnduxigspunkt D angeschlossen. Der erste und zweite Feldeffekttransistor ?_A und T₃ sind Jeweils als PNP-Typ dargestellt, während der

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dritte Feldeffekttransistor T-, von NPN-Typ i3t. Wird nun angenommen, daß im Anfrngszustcnd der erste undrter zweite Feldeffekttransistor T-, und T, jeweils in den Abschaltzustnnd vorgespannt sind, dann wird durch /nlegen eines positiven Impulsen über die Leitung S an die Steuerelektrode des dritten Feldeffekttrmslstors T_ dieser leitend ge* macht. Infol£eaer3cen nimmt eier Verbindungspunkt D eine Potentlaispannung von -IC Volt ein. Nach Beendigung des positiven Impulses sn der Steuerelektrode des PeldeffekttrirnsiGtors T„ wird die der -10V-Spannung entsprechende L»dung am Verbindungspunkt D gespeichert, und f zwar, wie bereits gesast, in erster Linie Infolge der Wirkung der Steuerelektroden-Quellelektroden-Kapazität des Feldeffekttransistors Tjj. Diese Ladung bleibt dank des sehr hohen äquivalenten Parallelwiderstandes über einen sehr langen Zeltabschnitt an der am Verbinduigspunkt D liegenden entsprechenden Stelle In der Speicher-Qrundsohaltung gespeichert.

Nun sei angenommen, daß das Datensignal am Eingang D- zur Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors T^ geprüft werden soll und daß ein negativer Impuls an den Eingang X der Steuerelektrode des zweiten FeldeffUcttransistors T„ angelegt wird. Durch Anlegen eines solchen negativen Impulses an den PNP-Feldeffekttransistor Τ« wird dieser leitend oder - genauer gesagt - zum Leitendwerden vorbereitet. Ist zu diesen Zeitpunkt das Dateneingangssignp.l ebenfalls negativ, dann wird auoh der erste Feldeffekttransistor T. leitend, und die am Verbindungepunkt D gespeicherte negative Ladung wird über die beiden PeldeffekttrarÄstören T. und T~ Infolge des nun wirkstynen Nebenschlusses direkt zur Erde abgeleitet. Zu einem Zeitpunkt nach der Beendigung des negativen Impulse»

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* BAD

Ul 4er Steuerelektrode dee zweiten Feldeffekttransistors T_n zeigt

.a

daher eine PrUfunß des LeitftIhigkeltGzuatande3 des vierten Peldeffekttransiatora T^ an, ob ein negatives Potential oder Erdpotential pm ▼•rblndtuagspunict D und damit an seiner Steuerelektrode vorhanden i3t, VIe sohon erwähnt, wird, wenn eine negative Ladung gespeichert 1st, der vierte Feldeffekttransistor T^ bein Anlegen einer Vorspannung awl »oneη Quell« und Saugelektrode leitend. Liegt dagegen keine negativ· Ladung aaa Verbindungspunkt D vor, dann wird der vierte Feld-, ψ «ffekttraneistor T^ nicht leitend. Bs ergibt sich also ohne weiteres, dad nach Auftreten des an Leitung 3 des dritten' Feldeffekttransistors Tg angelegten HÜckate 11 impuls und den in den Hingang X der Steuereleletrode des zweiten Feldeffekttransistors T_Q angelegten Abtastimpuls die Tatsache, da3 der vierte Feldeffekttransistor T^ leitend ist, bedeutet, daß kein negativer Impuls an den Dteneingang D^ der Steuerelektrode des ersten Feldeffekttrandbtors T_A angelegt worden ist. Umgekehrt zeigt der nichtleitende Zustand des vierten Feldeffekttransistors Tq an, da3 ein negativer Eingangs impuls an den Dateneingang D

_fc der Steuerelektrode des ersten Feldeffekttransistors T, angelegt worden ^Λ

Der zweite Feldeffekttransistor T^ kannte entfallen, wenn iu.s Datensignal periodisch durch eine andere Schaltvorrichtung abgetastet wird, bei der nur gewährleistet sein r.u2, da2 der erste Feldeffekttransistor T. beim Nichtanliegen einer Abtetperiode nichtleitend gehalten wird. Wird die letztgenannte Bedingung erfüllt, dann ist also der Trenn-Abtast-F^ldeffekttransistor T_Q nicht erforderlich. Ist hingegen eine kontinuierliche Dateneingabe vorgesehen, wie im Ausführungsbeispiel nach

Flg. 2t wo die Speicher-Grundschaltung in einem Schieberegister ver- ·' 909850/1027

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wendet wird, dann ist dieser Trettntrsjcisistor erforderlich, tun das Signal während verschiedener Schiebevorgänge abtrennen zu können.

Das in Fi£. 2 Als Schieberegister dnrcestellte Ausführuncsebelopiel enthält vier Kaskaaeu, wobei jede Kaskade aus drei hintereinandergeschalteten. Feldeffekttransistoren besteht, die ebenso wie die Feldeffekttransistoren T_A, T„ und T in Fig. 1 wirkear. sind. Die Feldeffekttransistoren T. - T^ bilden dabei die erste Bitstelle, während die Feldeffekttransistoren X₇ - T₁₂ eine zweite lötstelle darstellen. Es dürfte klar sein, daß für weitere iitspeicherstellen Jeweils weitere Stufen aus Je sechs Feldeffekttransistoren vorgesehen werden müssen. In jeder dieser zusätzlichen Stufen würden natürlich Jeweils dor ersten Kuskade die Rucks te 11- uiud Abttstlmpulse S^ und X₁ und der zweiten Kaskade die Rückstell- und Abtaetlmpulse S₂ ^{unä X}2 ^2U€^e^^>^^nrt werden.

In Bezug auf öle Wirkungsweise jeder aus einer Kaskade gebildeten Halbstufc, arbeitet das erflndungsgeiriiße Schieberegister ähnlich wie übliche Screlcnschiebereglster. Die erste Halbstufe der ersten Bitstelle tastet die Daten ab« wtihrend jeweils die erste Halbstufe nachfolgender Bitstellen die Daten aus der jeweils umalttelbar vorberctlmgh den BitäteHe erhält. Die «weiten Ualostufen sind jeweils als Haltebzw. Spelcherscheltunjssn für das zur ersten Halbstufe der betreffenden Bitstelle geschobene elektrische Signal wirksam.

Schieberegister gemäß dem AusfUhrungsbelspiel nach FIc* 2

zum Betrieb grundaätzltfa vier besondere seitlich gegeneinander ver*

- i

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setzte Iftipulszüge. Die beiden ersten impulszUge bestehen aus den "⁷·■"·· den Eingängen S₁ und X₁ zußeführten Signalen. Die S,-Impulse bilden, wie im Zusammenhang mit der Speicher-Grundschaltung nach Fiß. 1 ausgeführt Rucks te 11 impulse f Ur die eigentlichen Verbindungepunkte D₂ und D^. Der am Eingang X. anliegende Impuls ist ein Abtastimpuls, der dem Abtastimpuls X in der Anordnung nach Fig. 1 entspricht. Die den Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren Tg und T₁₂ zugeführten Abtaetimpuls·

t So sind gegenüber den Impulsen S. und X. verzögert. Ein Impuls Sg hat die Aufgabe, die zweiten Kaskaden jeder Bisteile JewelIe vor der. Ab-

' tasten der ersten Kaskade rückzubtellen, und zt#ar wird dieses Signal an den Verbindungspunkten Dg» D^ usw.* gespeichert. Durch Anlegen eine« S₂-Impulses werden die Verblndungtpunkt Χλ, und D* durch Leitendwerden der Feldeffekttransistoren T₆ und T₁₂ rüokgestellt. Diese Aufgabe eleioht der Aufgabe eines S^

Als nächstes wird der Xg-Lnpuls den Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren Te» T₁₁ usw. zugeführt. Dieser Impuls tastet die Verbin-

( dungspunkte D₂ und D^ der er*\m. Kaskaden ab, so daß dieses Signal in invertierter Porsi auf die Verbindungspunkte D, und O^ Gelangt. Durch Anlegen der S₂- und Xg-Impulsean die geradzahlig numnerlerten Kaskaden

. d·* Sohiebercglstcrs werden also die an den Verblndungspunkten D^, D^ uttw. der ungoradzcMlg nunoeriertcn Kaskaden gespeichterten Signale M.ch vorn zu den zweiten geradzahlig nummerierten Koskaden-Verbindungsimnkten D,_f D₅ usw. geschoben.

In den ersten vier Impulsdiagranaien nach Pig. 5 sind typische Impuls« foraen FUr die Impulse S^, S₂, X₁ und X₂ dargestellt. Aus der Ze it ache·'

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der Impulsdiagramroe geht hervor« daß alle vier IropulszUge gegeneinander versetzt sind. Der S₁-Impuls 1st der erste, X. der zweite» S₂ der dritte und X₂ der vierte Impuls. Weiterhin ist ersichtlich» daß der X₂-Impuls innerhalb des vorgegebenen Zyklusse3 vor dem Auftreten des nächsten Sj-Impulses erscheint. Dies 1st notwendig, da das in der ersten Kaskade gespeicherte Signal zur zweiten Kaskade übertragen werden nu3, bevor die erste Kaskade rUokgestellt werden kann. Andernfalls würde das Signal zerstört.

Wie sich ohne weiteres ergibt, 1st ein gegebener Zykluszeitabschnltt, in dem.alle vier Impulse Sj, X., S₂ und X₂ auftreten, in vier Teile eingeteilt, die Im Iepulsdiagramm nach Flg. 3 zu den Zeitpunkten a,

erscheinen b, c, df ft¹, b¹, ο¹, d* umnfTDas Rückstellen und Abtasten der Jeweils ersten oder ungeradzahligen Halbatufe erfolgt also zu den Zeitpunkten a, b; a', b'j a", b" usw., während das Rückstellen und Abtasten der jeweils zweiten oder geradzahligen Halbstufen mit den Impulsen S₂ und X₂ zu den Zeitpunkten c, d; o^f, d'; o", d" usw. stattfindet. Ss sind imunteren Teilder Flg. 3 nur die an den Verbindungspunkten D,, D₂ und D, (Fig. 2) auftretenden Impulse dargestellt, da die an D^ und D_ erscheinenden Impulse denen an D₉ und D, gleichen, abgesehen davon natürlieh, daß sie ua eine Systemzykluszeit verzögert sind. Zur Kennzeichnung der an den Verbindungspunkten D^is D, gespeicherten In- fomationen sind an entsprechenden Stellen des Impulsdiagramms

weiterhin binäre Nullen und Einsen angegeben. Aus dem Inpulsdiagramm let' ersehen, daß beim Auftreten einer Spannung von -10 Volt auf der Datenelngangsleltung (D,) eine binäre "0" und bein Erscheinen einer Spannung von 0 Volt auf der Leitung eine binKre *l" vorliegt. Au· de«.

Ife ergibt aich, daß eine Inversion jpgenUber D₁ vorliegt, ⁷T 809850/1027

HAD ORtGtNAL

ψ ■ ■■

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die bei Speicherung des Signals in einer RRbstufe stattfindet. Da» TJiagraaun D-, lässt aber erkennen, daß das invertierte Verbindungs signal in der zweiten Halbstufe erneut invertiert wird, so daß das Signal an Verblndungspunkt P-* mit den Signal auf der Eingangsleitung D₁ die gleiche Polarität besitzt, aber den gegenüber verzögert auftritt.

Aus allen Diagrammen geht hervor» da3 die an verschiedenen Stellen in der Schaltung auftretenden Spannungspegel 0 Volt oder Io Volt betragen. Bei den hier gezeigten PNP-Peldeffekttranslstoren hat ein -10V-Impuls einen Stropfluss zur Folge wKhrend ein Impuls von C Volt ein Abschalten der Feldeffekttransistoren bewirkt. Bei NPN-FeIdeffekttransistoren 1st es natürlich, umgekehrt. Selbstverständlich können auch andere Vorspannungen und lepulsenplituden angelegt werden, insbesondere dann, wenn autochlleglloh NPN-, FNP-Feldeffekttransistoren oder irg#ndwelphe Kombinationen beider Arten verwendet werden Bollen.

^ Nun sei die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 an Hand der XnpülediagraflUBe Ie^- einzelnen beschrieben. Daraus ergibt sich, unmittelbar vor den Zeitpunkt a ein Signal von -10 Volt sowohl «uf der Dmtene'inaangsleitung D₁ liegt,, als auch am Verbindungspunkt D₀ auftritt und dafl etwa O Volt aa Verbindungsptinfct vorhanden ist. Zum Zeltpunkt a nacht den Impuls den Feldeffekt transistor T, leitend, so daß der Verbindungspunkt D₂ direkt mit der -10 Volt-Vorspannungsquelle verbunden wird. Da jedooh a» Verbindungspunkt D₂ bereits eine Spannung von -10 Volt vor banden 1st, wird diese Spannung nicht geändert. Bein Auftreten des Zelt

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impulses X^zuir. Zeltpunkt b wird der Feldeffekttransistor T₂ leitend, und da dem Verbinduncspunkt D₁ ein negatives Signal zugeführt wird, wird ebenfalls der Feldeffekttransistor T leitend, so daß die am

Verbindungspunkt D- gespeicherte Ladung bei - 10 Volt nun zur Erde

zum

abgeleitet wird. Daher steigt/Zeitpunkt b im Diagramm Z>₂ die Spannung auf C Volt an. Zum Zeitpunkt c wird der S₂-Impuls den Feldeffekttransistor Tg zugeführt, so daß daher der Verbindungspunkt D, auf eine Spannung von -IC Volt gebracht wird, und nach Beendigung des

S₅-Impulses ein -lOV-Slgnal an Verbindungspunkt D, aufgespeichert

wird. Dies ist in Flg. 3 zum Zeitpunkt c dargestellt,, wo das ^

Diagramm D, auf -10 Volt abfallt. Zum Zeitpunkt d wird der X₂-Impuls dem Feldeffekttransistor T,- zugeführt, ·ο daS dieser leitend wird. Zu diesem Zeitpunkt beträgt aber die Spannung am Verbindungepunkt D₀ 0 Volt, 30 daß der Feldeffekttransistor T^ nioht leitend 1st· Daher bleibt das -lOV-Signal, das bein Auftreten des S₂-Impulses sun Zeitpunkt c am Verblndungspunkt D, eingegeben worden 1st, am Verbindungspunkt D, gespeichert. Beim Auftreten des S.-Impulses sum Zeltpunkt a gelangt der Verbindung punk t B₂ wieder in seinen -lOV-Zustand, indem der Feldeffekttransistor T, leitend gemaoht wird. a

Zum Zeltpunkt b hat das Auftreten des X₁-Impulses keine Wirkung auf den Verblndungspdnkt D_?, da auf der Eingangsleitung D₁ 0 Volt wirksam ist und daher der Feldeffekttransistor T₁ nichtleitend ist.

Die Folge dieser Vorgänge kann beliebig fortgesetzt werden, wenn ein aus einer Serie binärer Einsen und Nullen bestehendes Eingangssignal angenommen wird. So z.B. sind zum Zeitpunkt b beim Auftreten des X₁-ImPuISeS die Feldeffekttransistoren T₂ und T₁ leitend, so daß daher zum Zeitpunkt b" das Diagramm D wieder »uf den Spannungspegel 0 lurückfällt. Ebenso wird z\& Zeitpunkt d*¹ des X₂-Impulses in Pore

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einer UND-Funktion nit dem Signal am Verbindungspunkt D₂ ver* knüpft, und dadurch der Feldeffekttransistor T₅ leitend» «rührend der Feldeffekttransistor T^ nichtleitend bleibt« eo daß daher am VerUindungepunkt D. die im Diagramm D, dargestellte Spannung von -10 Volt bestehen bleibt. Aue Flg. 2 und der vorstehenden Beschreibung geht also hervor, daß die Daten Jeweils um eine Zeltperiode des vierphasigen Taktgebers, der die Impulse S^, X₁, S₂ und Xg Abgibt, von Stufe xu Stufe des Schieberegisters verschoben werden. Weiterhin ergibt sich ohne weiteres, daß beliebig viele Sohlebe-" reglsteretufen verwendet werden künnen. Die Verwendung zusätzlicher Stufen wird lediglich durch die Leistung des Taktgebers insofern beschrUnkt, als er genügend starke Impulse für die gleichzeitige Steuerung aller Stufen des Schieberegisters zu liefern in Stande ist.

. Welter kann jeweils anstelle der geradzahligen Halbstufen irgendeine herkömmliche Qleich-Stron-Halteschaltung verwendet werden, wenn die Informationen unbegrenzt lange im Schieberegister gespeichert werden sollen. Ein PrinzipsohaitblId hierfür ist in Fig. 4 dargestellt. In dieser Darstellung sind einige Bezugsziffern in Überein stimmung mit der nach Flg. 2 verwendet worden, um gleichwertige Schaltungselemente anzuzeigen. Diese Halteschaltung weist eine Eingangsleitung a, eine Ausgangeleitune η und eine Toktimpuleeingangsleitung S_fi auf. Die £ingcngsleitung η 1st jeweils mit den Verbindungspunkten D₂ f Dj|, usw. und die Ausgangs leitung η Jeweils mit den Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren T- usw. aufeinanderfolgender ungeradzahliger Halbetufen verbunden.

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Ee kann dabei eine beliebige herkömmliche Halteschaltung Verwendung finden, .wie z.B. eine Flipflopschaltung. Obwohl es zwar von grossera Vorteil wäre, eine solche aus Feldeffekttransistoren bestehende Haltesohaltung zu verwenden, wenn die erfindungsgemässe Anordnung in Massenfabrikation hergestellt werden soll, ist dies aber nicht unbedingt «rforderlich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, daß das Schieberegister-Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 nur aus aktiven Vorrichtungen, d.h. Feldeffekttransistoren reletiv geringer Anzahl aufgebaut ist. Aufgrund der sehr kleinen Anzahl von Bauelementen pro Schieberegisterstufe werden sowohl das Gesamtvolumen, als auch die Produktionskosten eines damit aufgebauten Schieberegisters stark reduziert. Infolge der Speichereigenschaften kann das erfindungsgemässe Schieberegister verhältnismäßig langsam betrieben werden, ohne daß ein Verlust an Information droht, so daß eine eehr grosse Verzögerung mit einer relativ kleinen und nicht aufwendigen Vorrichtung erzielt werden kann. Verzögerungsleitungen, die sonst eina solche Verzögerung he beiführen können, sind sehr viel grüseer und ausserdem aufwendiger. Wird berücksichtigt, daß kein nennenswerter Strom direkt von der Be-. triebsspannungsquelle zur Erde abflie3St, dann ist damit auoh der Leistunssbedarf der erfindungsgemässen Anordnung gering. Kosten und Aufwand der für den Betriefr der erfindungsgemässen Anordnung erforderliehen peripheren Schaltungs$g&ordnungen sind da.tiit aber ebenfalls auf ein Mindestuiass herabgesetzt. Der letzte und vielleicht wichtigste Vorteil besteht aber darin, daß die Anordnung gemäß der Erfindung in hervorragendem Hasse für eine Massenherstellung geeignet 1st, da alle Bauelemente gleich sind und hohe Packdichten zu erzielen sind. Dieser Vorteil ist insofern äusserst bedeutsam, da die gegenwärtigen Herstellungsverfahren für Rechner mehr und mehr zum Aufbau in Integrierter Schaltungsweise hinneigen. „_A«.„.-« .

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Claims (4)

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1. SffeioherajKxrdnung mit Feldeffekt-Transistoren für binär codierte Daten, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode eines Speioher-Feldeffekt-Transistors (T_D). dessen Eingangskapazität als Speicherelement dient und die Über eine Schaltvorrichtung (16) an die Betriebsspannungequelle (Erde, 1CV) abgeschlossen ist, mit de« Kopplungsglied zweier kaskadenartig hintereinander an die Betriebespannungsquelle (Erde, 10V) angeschlossenerSchalt-Feldeffekt-Transistoren (Τ,,,Τλ) vom jeweils entgegengesetzten Leit-

w fähigkeitstyp verbunden ist, wovon einem Über seine Steuerelektrode ein Dateniapule (D₁) und dem anderen Über die entsprechende Steuerelektrode ein demgegenüber kürzerer Taktgeberimpuls (S₁) in Koinzidenz aber gegenseitig zeitlich versetzter Anstiegs- und Abstiegsflanke zugeführt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Xopplungs- | glied der beiden ersten Schalt-Feldeffekt-Transistoren (T., T_c)· ein dritter Schalt-Feldeffekt-Transistor (T_ß) vom gleichen Leitfäiriigkeitstyp der Sclialt-Feldefibkttransistor (Τ_Λ) dient, dessen Steuerelektrode der Datenimpulse (D₁) zugeführt wird, und daß der Steuerelektrode des dritten Schalt-Feldeffekttransistors (τ_β) ein zweiter Taktgeoerimpuls (X₁) zugeführt wird, der gegenüber dem ersten (S₁) geringfügig zeitlich verzögert aber etwa gleicher Impulsdauer ist.

3« Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher-Feldeffekttransistor (T_D) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Schalt-Feldeffekt-Transistor (T_A) ist, dem der Datenimpule (D₁) zugeführt wird.

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4. Anordnung mindestens nach Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltvorrichtung (16) mindestens ein vierter Schalt-Feldeffekt-Tranaistor (Tg) dient, der Über ein weiteres Kopplung»· Glied alt dem Opeicher-Feldeffelct-Transistor (T_D) in Kaskade geschaltet ist» aber deugegenUber von entgegengesetzte« Leitfähig* keitstfff ist, wobei die AuEßangeepannung an Kopplungsglied abge-Griffen wird undder Steuerelektrode des vierten Schalt-Feldeffekt-Traneistors (T^) ein dritter gegenüber den sweiten geringfügig verzögerter Taktgeberiapuls (Sg) zugeführt wird.

^lj. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung als Schieberegister-Stufe.

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