DE1474388C3 - Schieberegisterspeicherstufe mit Feldeffekttransistoren - Google Patents
Schieberegisterspeicherstufe mit FeldeffekttransistorenInfo
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- H03K3/35606—Bistable circuits using additional transistors in the input circuit using pass gates with synchronous operation
Description
a) von drei in Kaskade geschalteten Feldeffekttransistoren (Tu T2, Ts) werden dem Gate des
ersten Feldeffekttransistors (T\) die zu speichernden Primärdaten zugeführt, dem Gate des
dritten Feldeffekttransistors (T3) ein Ladetakt (S\) und dem Gate des zweiten Feldeffekttransistors
(T2) ein gegenüber dem Ladetakt (S]) zeitlich verschobener Entladetakt (X\),
b) der Verbindungspunkt (D) zwischen den beiden letzten Feldeffekttransistoren (T2, T3) ist auf den
Gateanschluß des ersten Feldeffekttransistors (Ta) einer weiteren Kaskade (T4, T5, T6) geführt,
wobei am Gate des letzten Feldeffekttransistors (T6) ein gegenüber dem Entladetakt (X\) zeitlich
verschobener Ladetakt (S2) und am Gate des zweiten Feldeffekttransistors (T5) ein'gegenüber
dem zweiten Ladetakt (S2) zeitlich verschobener Entladetakt (X2) anliegt,
c) jeweils zwei aufeinanderfolgende Kaskaden bilden eine Stufe des Schieberegisters.
2. Schieberegisterspeicherstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Feldeffekttransistoren
(T\, T4) jeder Kaskade vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind.
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Die Erfindung betrifft eine Schieberegisterspeicherstufe, wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu
entnehmen ist.
Hierzu dienen bisher bistabile Kippstufen, die aus aktiven und passiven Schaltelementen aufgebaut sind und
z. B. nach Art eines bistabilen Multivibrators zusammengeschaltet sein können. Die Tendenz in der Herstellung
von Schaltungseinheiten geht nun mehr und mehr dahin, im Zuge einer Mikrominiaturisierung kompakte Baugruppen
bereitzustellen, die bei geringerer Leistungsaufnahme eine größere Packungsdichte erlauben. Hierbei
ist es von besonderem Vorteil, wenn eine solche Baugruppe lediglich aus aktiven Schaltelementen besteht,
da dann die Verlustleistung, die in Form von Wärme abgestrahlt wird, auf ein Minimum beschränkt wird. Bei
der üblichen Anwendung von einer Vielzahl von solchen Speicherelementen in einer modernen Rechenanlage
ist die Auswirkung der sich so vervielfältigenden Verlustleistung äußerst störend. Es ist daher bereits eine
bistabile Kippschaltung vorgeschlagen worden, die lediglich aus aktiven Schaltelementen besteht, und zwar
aus Feldeffekttransistoren (siehe Digest of Technical Papers for the Solid State Circuits Conference, Februar
1963, Seite 33, Fig. 8).
Abgesehen davon, daß die bekannte Schaltung die bei bistabilen Multivibratoren auftretenden und bei den
heutzutage mehr und mehr angestrebten kurzen Impulszeiten verhältnismäßig langen Umschaltzeiten aufweist,
ist die eigentliche Schaltung auch relativ aufwendig und kompliziert.
Zur Vermeidung der obengenannten Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Schieberegisterspeicherstufe
mit Feldeffekttransistoren zu schaffen, die nicht als bistabile Kippschaltung aufgebaut ist, bei gegenüber
bisher geringerem Aufwand und möglichst einfachem Schaltungsaufbau, so daß eine Massenherstellung
rationell durchgeführt werden kann.
Bei einer Schieberegisterspeicherstufe eingangs aufgeführter Art wird demnach die Aufgabe gelöst, wie es
dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.
Der jeweilige Schaltzustand läßt sich dann unter entsprechender Steuerung einer mit dem Daten-Feldeffekttransistor
in Verbindung stehenden Schaltvorrichtung abfragen.
Da bei der Schieberegisterspeicherstufe gemäß der Erfindung einmal gegenüber dem obengenannten
bekannten Stand der Technik eine geringere Anzahl von Bauelementen erforderlich ist und zum anderen der
Ladezustand der jeweiligen Gatekapazität für den entsprechenden Speicherzustand maßgeblich ist, ergibt
sich in vorteilhafter Weise ein äußerst geringer Leistungsbedarf, so daß die Schaltung gemäß der
Erfindung vorzüglich zur Verwendung als Grundbaustein in einer Rechenanlage Verwendung finden kann.
Außerdem ergibt sich noch der Vorteil, daß bei monolithisch integrierter Bauweise die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung eine äußerst einfache Struktur zuläßt, da sich überkreuzende Leitungszüge ohne
weiteres vermeiden lassen und so das Vorsehen von Leitungszügen in mehreren Ebenen erspart werden
kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen
entnehmen.
Es sind zwar bereits Schieberegister bekanntgeworden, bei denen die Stufen aus Kondensatoren bestehen,
jedoch besteht auch hier der Nachteil, daß sowohl aktive als auch passive Bauelemente verwendet werden
müssen. Die Art dieser Bauelemente läßt dabei ohne weiteres nicht die integrierte Schaltungstechnik zu ihrer
Herstellung zu, und außerdem ist ebenfalls bedingt durch den Schaltungsaufbau der zum Betrieb erforderliche
Leistungsbedarf relativ hoch, so daß eine Anwendung in vielfacher Ausfertigung ohne zusätzlichen
Aufwand nicht durchführbar ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die anhand von
Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen die Erfindung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen
Schieberegisterspeicherstufe,
F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Schieberegisters, das sich aus erfindungsgemäßen Schieberegisterspeicherstufen
zusammensetzt,
Fig.3 Ipulsdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Schieberegisterspeicherstufe,
Die Schieberegisterspeicherstufe gemäß der Erfindung besteht ganz allgemein aus einer Schaltung zum
Speichern elektrischer Signale, die drei kaskadenförmig in Serie geschaltete Feldeffekttransistoren aufweist. Ein
vierter Feldeffekttransistor ist mit seinem Gate direkt an die Verbindungsstelle D zwischen dem zweiten und
dem 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 Taktimpulsgeber läßt den dritten Feldeffekttransistor
periodisch leitend werden, und darauf wird jeweils ein Datensignal dem Gate des ersten Feldeffekttransistors
zugeführt. Ein zweiter Taktimpulsgeber gibt einen mit dem Impuls des ersten Taktimpulsgebers nicht koinzidierenden
Impuls ab, so daß der zweite Feldeffekttransistor gleichzeitig mit Anlegen des Datensignals an das
Gate des ersten Feldeffekttransistors in den Leitfähigkeitszustand gebracht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Schieberegisterspeicherstufe wird die Kapazität am Verbindungspunkt D zum
Speichern eines Signals während eines längeren Zeitabschnittes ausgenutzt Diese Kapazität ergibt sich
in erster Linie aus der Kapazität zwischen Gate und Source des vierten Feldeffekttransistors. Der dritte
Feldeffekttransistor wird unter Steuerung eines Taktimpulses 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 je nach dem Zustand des
Eingangsdatensignals in den Leitfähigkeitszustand bzw. nichtleitenden Zustand gebracht wird. Der zweite
Feldeffekttransistor wirkt im Ansprechen auf den zweiten Taktimpuls im wesentlichen als Abtast- und
Trennschalter, der es ermöglicht, daß das unter Wirkung der Kapazität zwischen Gate und Source des vierten
Feldeffekttransistors gespeicherte Signal zur Erde abgeleitet werden kann, falls ein Datensignal den ersten
Feldeffekttransistor leitend gemacht hat. Der zweite Feldeffekttransistor könnte dann natürlich fortfallen,
falls es nicht erforderlich wäre, das im vierten Feldeffekttransistor gespeicherte Signal unbeeinflußt zu
lassen. In dem in Fig.2 gezeigten, als Schieberegister
ausgebildeten Ausführungsbeispiel wird der zweite Feldeffekttransistor deshalb benötigt, damit Schiebeoperationen
durchgeführt werden können, wie es nachstehend im einzelnen noch beschrieben wird.
Der Feldeffekttransistor selbst und seine Herstellung fallen nicht in den Rahmen der Erfindung, da hierüber
bereits zahlreiche Veröffentlichungenn vorliegen. Siehe hier z. B. Digest of Technical Papers for the Solid State
Circuits Conference, Februar 1963, »Nanowatt Logic Using Field-Effect Metal-Oxide Semiconductor Triodes«
von Wa η las und Sah, Seiten 32 und 33. Allgemein kann gesagt werden, daß Source, Gate und
Drain des Feldeffekttransistors in der Wirkungsweise der Emitterelektrode, der Basiselektrode und der
Kollektorelektrode eines normalen Transistors entsprechen. Das Hauptmerkmal des Feldeffekttransistors,
welches zum Aufbau von Speicherschaltungen ohne Anwendung sekundärer Speichereinrichtungen anregt,
ist die Kapazität zwischen Gate und Source, die einen Durchschnittswert von ca. 3 pF einnimmt. Aufgrund
dieser Tatsache in Verbindung mit der Möglichkeit, den Feldeffekttransistor in Planartechnik zu erstellen, also
als Massenfabrikat bzw. als Bestandteil integrierter Schaltungen, sind vorliegende, solche Transistoren
verwendende Schaltungen ganz besonders vorteilhaft.
Zum Aufbau der erfindungsgemäßen Schieberegisterspeicherstufe ist kein passives Schaltelement, wie z. B.
Widerstand, Kondensator, Induktionsspule usw. erforderlich, sondern es sind lediglich Feldeffekttransistoren
allein als aktive Schaltelemente und direkte Verbindungsleitungen zwischen Elektroden und Betriebsstromquellen nötig. Die Schieberegisterspeicherstufe
gemäß der Erfindung kann natürlich in einer Anzahl verschiedener Anwendungen benutzt werden, die zur
Speicherung binärer Signalinformation dienen soll.
Sie eignet sich aber ganz besonders zur Verwendung in der in F i g. 2 dargestellten Schieberegisteranordnung.
Ein solches Schieberegister besteht aus mehreren Schieberegisterspeicherstufen. Jede Kaskade aus drei in
Serie geschalteten Feldeffekttransistoren bildet dabei eine halbe Stufe des Schieberegisters. In diesem
Ausführungsbeispiel stellt aber der in der obenerwähnten Schieberegisterspeicherstufe 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. Für 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-
und Abtastimpuls 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 Registerbitstelle und besteht aus zwei als Halbstufen wirksamen
Kaskaden, denen jeweils besondere und unterschiedliche Taktimpulse zugeführt werden.
Das Schieberegister weist, wie sich aus der Darstellung
in F i g. 2 ergibt, keine passiven Schaltelemente und nur ein Minimum an aktiven Schaltelementen zum
Aufbau einer vollständigen Schieberegisterspeicherstufe auf. Demgegenüber benötigen bekannte Schieberegisterspeicherstufen
zur Durchführung derselben logischen Funktionen wie im vorliegenden Fall bis zu
sechzehn Transistoren. Daraus folgt, daß für den Aufbau eines Schieberegisters gemäß der vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung bei einer extrem großen Speicherkapazität der Raumbedarf gegenüber bisher
wesentlich verringert wird. Gleichzeitig wird damit der Leistungsbedarf herabgesetzt Dies letztere trifft insbesondere
angesichts der Tatsache zu, daß in einer Schieberegisterspeicherstufe jeweils nur soviel Gleichstrom
fließt, wie für das Auf- und Entladen der Kapazität zwischen Gate und Source des Speicher-Feldeffekttransistors
benötigt wird.
Vielleicht noch wichtiger ist aber die Tatsache, daß der Feldeffekttransistor im wesentlichen eine Planarvorrichtung
ist, die sich in idealer Weise sowohl für die Miniaturisierung als auch für die Massenherstellung
eignet, worunter natürlich in gewisser Weise auch die integrierte Schaltungstechnologie fällt, bei der eine
große Anzahl von Vorrichtungen in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden kann. Obwohl Einzelheiten
betreffend die Herstellung eines Feldeffekttransistors nicht zur Erfindung gehören, sei dennoch darauf
hingewiesen, daß ein vollständiges, aus Schieberegisterspeicherstufen gemäß der Erfindung aufgebautes
Schieberegister auf einem einzigen Substrat sowohl mittels verschiedener Markierungs- und Dotierungsarbeitsgänge
als auch durch Aufbringen von Isolierschichten und Bandleitungen hergestellt werden kann.
Die erfindungsgemäße Schieberegisterspeicherstufe
ist nicht nur bei Schieberegistern verwendbar, sondern ist auch mit Erfolg bereits als Ersatz für viel
umfangreichere und aufwendige magnetostriktive Verzögerungsleitungen zur Kurzzeitspeicherung eingesetzt
worden. Die mit 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
beachten, daß die Begrenzung im Betrag der Bitverzögerung zwischen einzelnen Schaltschritten hauptsäch-Hch
durch die Signalfrequenz oder die Abtastfrequenz bedingt ist, was bedeutet, daß die Bits im Schieberegister
schrittweise weitergeschaltet werden müssen, damit neue Bits richtig zugeführt und entsprechend eingegeben
werden können.
Die ersten beiden Feldeffekttransistoren jeder Kaskade bilden gewissermaßen ein UND-Glied und
können aus einem Block bestehen, der eine geteilte Steuerelektrode besitzt wie es z. B. im IBM Technical
Disclosure Bulletin, Bd. 7, Nr. 1, Seite 7 beschrieben ist. Die logische Funktion der beiden ersten, also der jeweils
unteren Feldeffekttransistoren in F i g. 1 und 2 stellt insofern im wesentlichen eine UND-Verknüpfung dar,
als beide in den leitenden Zustand geschaltet werden müssen, um den am Verbindungspunkt zwischen
zweiten und dritten Feldeffekttransistoren herrschenden Ladungszustand zu ändern, wie es im einzelnen
noch ausführlich beschrieben wird.
Nach diesem allgemeinen Überblick folgt nun die nähere Erläuterung der Schaltungen anhand der
Zeichnungen.
Fig. 1 stellt eine Schieberegisterspeicherstufe dar, in der eine binäre »1« oder »0« durch das Vorhandensein
oder Fehlen einer Ladung an der Kapazität, gebildet aus Gate und Source 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 Abtastschalter wirkende Schaltvorrichtung handeln, die die Aufgabe hat, den als
Speichertransistor wirkenden vierten Feldeffekttransistor periodisch an eine Vorspannungsquelle zu legen. In
F i g. 1 wird der Speichertransistor aus dem vierten Feldeffekttransistor Td gebildet, der eine Gateelektrode
10, eine Sourceelektrode 12 und eine Drainelektrode 14 besitzt Der Abtastschalter 16 ist so angelegt, daß der
Feldeffekttransistor Td an eine — 10-V-Spannungsquel-Ie
angeschlossen wird, wenn sein Leitfähigkeitszustand abgetastet werden soll. Beim Anliegen eines negativen 5<>
Signals an der Gateelektrode 10 dieses PNP-Feldeffekttransistors Td ergibt sich beim Schließen des Abtastschalters
16 ein Stromfluß durch den Speichertransistor. Natürlich können viele verschiedene Arten von
Abtastschaltungen bzw. Schaltvorrichtungen zum Abtasten des Leitfähigkeitszustandes des Transistors Td
ohne Hervorrufen eines besonderen Stromflusses in der Vorspannungsschaltung verwendet werden. Eine solche
Möglichkeit ergibt sich aus dem in F i g. 2 dargestellten Schieberegister.
Die Ladungsspeicherung an der Gateelektrode 10 des Feldeffekttransistors Td geschieht im einzelnen wie
folgt: Die Gateelektrode ist am zwischen zweiten und dritten Feldeffekttransistor Te und Tc liegenden Verbindungspunkt
D angeschlossen. Der erste und zweite Feldeffekttransistor TA und Tb sind jeweils als PNP-Typ
dargestellt, während der dritte Feldeffekttransistor Tc vom NPN-Typ ist. Wird nun angenommen, daß im
Anfangszustand der erste und der zweite Feldeffekttransistor Ta und TB jeweils in den Abschaltzustand
vorgespannt sind, dann wird durch Anlegen eines positiven Impulses über die Leitung S an die
Gateelektrode des dritten Feldeffekttransistors Tc dieser leitend gemacht Infolgedessen nimmt der
Verbindungspunkt D ein Potential von -10 Volt an. Nach Beendigung des positiven Impulses an der
Gateelektrode des Feldeffekttransistors Tc wird die der — 10-V-Spannung entsprechende Ladung am Verbindungspunkt
D gespeichert, und zwar, wie bereits gesagt, in erster Linie infolge der Wirkung der Gate/Source-Kapazität
des Feldeffekttransistors Td. Diese Ladung bleibt dank des sehr hohen äquivalenten Parallelwiderstandes
über einen sehr langen Zeitabschnitt an der am Verbindungspunkt D liegenden, entsprechenden Stelle
in der Schieberegisterspeicherstufe gespeichert.
Nun sei angenommen, daß das Datensignal am Eingang Dd zur Gateelektrode des ersten Feldeffekttransistors
Ta geprüft werden soll und daß ein negativer Impuls an den Eingang X der Gateelektrode des
zweiten Feldeffekttransistors Tb angelegt wird. Durch Anlegen eines solchen negativen Impulses an den
PN P-Feldeffekttransistor Tb wird dieser leitend oder —
genauer gesagt — zum Leitendwerden vorbereitet. Ist zu diesem Zeitpunkt das Dateneingangssignal ebenfalls
negativ, dann wird auch der erste Feldeffekttransistor Ta leitend, und die am Verbindungspunkt D gespeicherte
negative Ladung wird über die beiden Feldeffekttransistoren Ta und Tb infolge des nun wirksamen
Nebenschlusses direkt zur Erde abgeleitet Zu einem Zeitpunkt nach Beendigung des negativen Impulses an
der Gateelektrode des zweiten Feldeffekttransistors Tb zeigt daher eine Prüfung des Leitfähigkeitszustandes
des vierten Feldeffekttransistors Td an, ob ein negatives Potential oder Erdpotential am Verbindungspunkt D
und damit an seiner Gateelektrode vorhanden ist Wie schon erwähnt, wird, wenn eine negative Ladung
gespeichert ist, der vierte Feldeffekttransistor Td beim Anlegen einer Vorspannung zwischen Source- und
Drainelektrode leitend. Liegt dagegen keine negative Ladung am Verbindungspunkt D vor, dann wird der
vierte Feldeffekttransistor TD nicht leitend. Es ergibt
sich also ohne weiteres, daß nach Auftreten des an Leitung 5 des dritten Feldeffekttransistors Tc angelegten
Rückstellimpulses und des an den Eingang X der Gateelektrode des zweiten Feldeffekttransistors Tb
angelegten Abtastimpulses die Tatsache, daß der vierte Feldeffekttransistor To leitend ist bedeutet daß kein
negativer Impuls an den Dateneingang Dd der Gateelektrode des ersten Feldeffekttransistors Ta
angelegt worden ist. Umgekehrt zeigt der nichtleitende Zustand des vierten Feldeffekttransistors Td an, daß ein
negativer Eingangsimpuls an den Dateneingang Dp der
Gateelektrode des ersten Feldeffekttransistors Ta
angelegt worden ist.
Der zweite Feldeffekttransistor Tb könnte entfallen,
wenn das Datensignal periodisch durch eine andere Schaltvorrichtung abgetastet wird, bei der nur gewährleistet
sein muß, daß der erste Feldeffekttransistor TA
beim Nichtanliegen einer Abtastperiode nichtleitend gehalten wird. Wird die letztgenannte Bedingung erfüllt,
dann ist also der Trenn-Abtast-Feldeffekttranssistor Tb
nicht erforderlich. Ist hingegen eine kontinuierliche Dateneingabe vorgesehen, wie im Ausführungsbeispiel
nach Fig.2, wo die Schieberegisterspeicherstufe in einem Schieberegister verwendet wird, dann ist dieser
Trenntransistor erforderlich, um das Signal während
verschiedener Schiebevorgänge abtrennen zu können.
Das in Fig.2 als Schieberegister dargestellte Ausführungsbeispiel enthält vier Kaskaden, wobei jede
Kaskade aus drei hintereinandergeschalteten Feldeffekttransistoren besteht, die ebenso wie die Feldeffekttransistoren
Ta, Tb und Tc in F i g. 1 wirksam sind. Die Feldeffekttransistoren 7Ί — 7β bilden dabei die erste
Bitstelle, während die Feldeffekttransistoren Ti — T)2
eine zweite Bitstelle darstellen. Es dürfte klar sein, daß für weitere Bitspeicherstellen jeweils weitere Stufen aus
je sechs Feldeffekttransistoren vorgesehen werden müssen. In jeder dieser zusätzlichen Stufen wurden
natürlich jeweils der ersten Kaskade die Rückstell- und Abtastimpulse S\ und X\ und der zweiten Kaskade die
Rückstell- und Abtastimpulse S2 und X2 zugeführt
werden.
In bezug auf die Wirkungsweise jeder aus einer Kaskade gebildeten Halbstufe, arbeitet das Schieberegister
gemäß Fig. 2 ähnlich wie übliche Serienschieberegister. Die erste Halbstufe der ersten Bitstelle tastet die
Daten ab, während jeweils die erste Halbstufe nachfolgender Bitstellen die Daten aus der jeweils
unmittelbar vorhergehenden Bitstelle erhält. Die zweiten Halbstufen sind jeweils als Halte- bzw. Speicherschaltungen
für das zur ersten Halbstufe der betreffenden Bitstelle geschobene elektrische Signal wirksam.
Das Schieberegister gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 benötigt zum Betrieb grundsätzlich vier
besondere zeitlich gegeneinander versetzte Impulszüge. Die beiden ersten Impulszüge bestehen aus den den
Eingängen S\ und X\ zugeführten Signalen. Die Si-Impulse bilden, wie im Zusammenhang mit der
Speicher-Grundschaltung nach F i g. 1 ausgeführt, Rückstellimpulse für die eigentlichen Verbindungspunkte
Di und D4. Der am Eingang X\ anliegende Impuls ist
ein Abtastimpuls, der dem Abtastimpuls X in der Anordnung nach F i g. 1 entspricht. Die den Gateelektroden
der Feldeffekttransistoren Te und T12 zugeführten
Abtastimpulse S2 sind gegenüber den Impulsen S\
und Xi verzögert. Ein Impuls Si hat die Aufgabe, die
zweiten Kaskaden jeder Bitstelle jeweils vor dem Abtasten der ersten Kaskade rückzustellen, und zwar
wird dieses Signal an den Verbindungspunkten D2, D4
usw. gespeichert. Durch Anlegen eines Sz-Impulses
werden die Verbindungspunkte Ds und Ds durch
Leitendwerden der Feldeffekttransistoren Te und Ti2
rückgestellt. Diese Aufgabe gleicht der Aufgabe eines Si-Impulses.
Als nächstes wird der Arlmpuls den Gateelektroden
der Feldeffekttransistoren Ts, Tn usw. zugeführt. Dieser
Impuls tastet die Verbindungspunkte D2 und D4 der
ersten Kaskaden ab, so daß dieses Signal in invertierter Form auf die Verbindungspunkte D3 und Ds gelangt.
Durch Anlegen der Si- und X2-Impulse an die
geradzahlig numerierten Kaskaden des Schieberegisters werden also die an den Verbindungspunkten D2,
D4 usw. der ungeradzahlig numerierten Kaskaden gespeicherten Signale nach vorn zu den zweiten
geradzahlig numerierten Kaskaden-Verbindungspunkten D3, Ds usw. geschoben.
In den ersten vier Impulsdiagrammen nach Fig.3
sind typische Impulsformen für die Impulse Si, S2, ΛΊ und
X2 dargestellt. Aus der Zeitachse der Impulsdiagramme
geht hervor, daß alle vier Impulszüge gegeneinander versetzt sind. Der Si-Impuls ist der erste, X\ der zweite,
S2 der dritte und X2 der vierte Impuls. Weiterhin ist
ersichtlich, daß der A2-ImPuIs innerhalb des vorgegebenen
Zyklusses vor dem Auftreten des nächsten Si-Impulses erscheint Dies ist notwendig, da das in der
ersten Kaskade gespeicherte Signal zur zweiten Kaskade übertragen werden muß, bevor die erste
Kaskade rückgestellt werden kann. Andernfalls würde das Signal zerstört
Wie sich ohne weiteres ergibt ist ein gegebener Zykluszeitabschnitt in dem alle vier Impulse Si, X\, S2
und X2 auftreten, in vier Teile eingeteilt, die im
Impulsdiagramm nach F i g. 3 zu den Zeitpunkten a,b,c, d; a", ti, d, d' usw. erscheinen. Das Rückstellen und
Abtasten der jeweils ersten oder ungeradzahligen Halbstufe erfolgt also zu den Zeitpunkten a, b; a", ti; a",
ti' usw., während das Rückstellen und Abtasten der
jeweils zweiten oder geradzahligen Halbstufen mit den Impulsen S2 und X2 zu den Zeitpunkten c, d; d, d'; c", d"
usw. stattfindet. Es sind im unteren Teil der F i g. 3 nur die an den Verbindungspunkten D\, D2 und D3 (F i g. 2)
auftretenden Impulse dargestellt, da die an D* und Ds
erscheinenden Impulse denen an D2 und Dj gleichen,
abgesehen davon natürlich, daß sie um eine Systemzykluszeit verzögert sind. Zur Kennzeichnung der an den
Verbindungspunkten Di bis Di gespeicherten Informationen
sind an entsprechenden Stellen des Impulsdiagramms binäre Nullen und Einsen angegeben. Aus dem
Impulsdiagramm ist weiterhin zu ersehen, daß beim Auftreten einer Spannung von —10 Volt auf der
Dateneingangsleitung (Di) eine binäre »0« und beim Erscheinen einer Spannung von 0 Volt auf der Leitung
eine binäre »1« vorliegt. Aus dem Diagramm D2 ergibt sich, daß eine Inversion gegenüber Di vorliegt, die bei
Speicherung des Signals in einer Halbstufe stattfindet. Das Diagramm Dz läßt aber erkennen, daß das
invertierte Verbindungssignal in der zweiten Halbstufe erneut invertiert wird, so daß das Signal am
Verbindungspunkt D3 mit dem Signal auf der Eingangsleitung D) die gleiche Polarität besitzt, aber demgegenüber
verzögert auftritt.
Aus allen Diagrammen geht hervor, daß die an verschiedenen Stellen in der Schaltung auftretenden
Spannungspegel OVoIt oder 10 Volt betragen. Bei den hier gezeigten PNP-Feldeffekttransistoren hat ein
— 10-V-Impuls einen Stromfluß zur Folge, während ein
Impuls von 0 Volt ein Abschalten der Feldeffekttransistoren bewirkt. Bei NPN-Feldeffekttransistoren ist es
natürlich umgekehrt. Selbstverständlich können auch andere Vorspannungen und Impulsamplituden angelegt
werden, insbesondere dann, wenn ausschließlich NPN-, PNP-Feldeffekttransistoren oder irgendwelche Kombinationen
beider Arten verwendet werden sollen.
Nun sei die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 2 anhand der Impulsdiagramme im einzelnen beschrieben.
Daraus ergibt sich, daß unmittelbar vor dem Zeitpunkt a ein Signal von —10 Volt sowohl an der Dateneingangsleitung
Di anliegt, als auch am Verbindungspunkt D2
auftritt und daß etwa 0 Volt am Verbindungspunkt D3 vorhanden ist. Zum Zeitpunkt a macht der Si-Impuls
den Feldeffekttransistor T3 leitend, so daß der Verbindungspunkt
D2 direkt mit der —10-Volt-Vorspannungsquelle verbunden wird. Da jedoch am Verbindungspunkt D2 bereits eine Spannung von -10 Volt
vorhanden ist, wird diese Spannung nicht geändert. Beim Auftreten des Zeitimpulses X\ zum Zeitpunkt b
wird der Feldeffekttransistor T2 leitend, und da dem Verbindungspunkt Di ein negatives Signal zugeführt
wird, wird ebenfalls der Feldeffekttransistor Ti leitend, so daß die am Verbindungspunkt D2 gespeicherte
Ladung bei —10 Volt nun zur Erde abgeleitet wird. Daher steigt zum Zeitpunkt b im Diagramm D2 die
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Spannung auf 0 Volt an. Zum Zeitpunkt c wird der Sb-Impuls dem Feldeffekttransistor T6 zugeführt, so daß
daher der Verbindungspunkt D3 auf eine Spannung von — 10 Volt gebracht wird, und nach Beendigung des
SWmpuIses ein — 10-V-Signai am Verbindungspunkt Eh
aufgespeichert wird. Dies ist in F i g. 3 zum Zeitpunkt c dargestellt, wo das Diagramm Eh auf —10 Volt abfällt
Zum Zeitpunkt d wird der AHmpuls dem Feldeffekttransistor
Ts zugeführt, so daß dieser leitend wird. Zu
diesem Zeitpunkt beträgt aber die Spannung am Verbindungspunkt Eh 0 Volt, so daß der Feldeffekttransistor
7} nicht leitend ist Daher bleibt das —10-V-Signal,
das beim Auftreten des Sb-Impulses zum Zeitpunkt
c am Verbindungspunkt lh eingegeben worden ist, am Verbindungspunkt Eh gespeichert. Beim Auftreten des
Si-Impulses zum Zeitpunkt af gelangt der Verbindungspunkt Eh wieder in seinen — 10-V-Zustand, indem der
Feldeffekttransistor T3 leitend gemacht wird.
Zum Zeitpunkt ti hat das Auftreten des X\-Impulses keine Wirkung auf den Verbindungspunkt Eh, da auf der
Eingangsleitung D\ OVoIt wirksam ist und daher der
Feldeffekttransistor Γι nichtleitend ist.
Die Folge dieser Vorgänge kann beliebig fortgesetzt werden, wenn ein aus einer Serie binärer Einsen und
Nullen bestehendes Eingangssignal angenommen wird. So sind z. B. zum Zeitpunkt ti' beim Auftreten des
Xi-Impulsesdie Feldeffekttransistoren 7} und T\ leitend,
so daß daher zum Zeitpunkt ti' das Diagramm Eh wieder auf den Spannungspegel 0 zurückfällt Ebenso
wird zum Zeitpunkt d'" der Ai-Impuls mit dem Signal
am Verbindungspunkt Eh in einer UND-Funktion verknüpft und dadurch der Feldeffekttransistor Ts
leitend, während der Feldeffekttransistor 7} nichtleitend
bleibt so daß am Verbindungspunkt Eh, die im Diagramm Eh dargestellte Spannung von —10 Volt
bestehenbleibt Aus Fig.3 und der vorstehenden Beschreibung geht also hervor, daß die Daten jeweils
um eine Zeitperiode des vierphasigen Taktgebers, der die Impulse Si, X\, Si und Xi abgibt von Stufe zu Stufe
des Schieberegisters verschoben werden. Weiterhin ergibt sich ohne weiteres, daß beliebig viele Schieberegisterspeicherstufen
verwendet werden können. Die Verwendung zusätzlicher Stufen wird lediglich durch
die Leistung des Taktgebers insofern beschränkt als er genügend starke Impulse für die gleichzeitige Steuerung
aller Stufen des Schieberegisters zu liefern im Stande sein muß.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß das Schieberegister-Ausführungsbeispiel
gemäß Fig.2 nur aus aktiven Bauelementen, d. h. Feldeffekttransistoren relativ
geringer Anzahl aufgebaut ist. Aufgrund der sehr kleinen Anzahl von Bauelementen pro Schieberegisterspeicherstufe
werden sowohl das Gesamtvolumen, als auch die Produktionskosten eines damit aufgebauten
Schieberegisters stark reduziert. Infolge der Speichereigenschaften kann das Schieberegister verhältnismäßig
langsam betrieben werden, ohne daß ein Verlust an Information droht, so daß eine sehr große Verzögerung
mit einer relativ kleinen und nicht aufwendigen Schaltungsanordnung erzielt werden kann. Verzögerungsleitungen,
die eine vergleichbare Verzögerung herbeiführen könnten, sind sehr viel größer und
außerdem aufwendiger. Wird berücksichtigt/daß kein nennenswerter Strom direkt von der Betriebsspannungsquelle
zur Erde abfließt dann ist damit auch der Leistungsbedarf vorliegender Anordnung gering. Kosten
und Aufwand der für den Betrieb dieser Anordnung erforderlichen, peripheren Schaltungsanordnungen sind
damit aber ebenfalls auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Der letzte und vielleicht wichtigste Vorteil besteht aber
darin, daß die vorliegende Anordnung in hervorragendem Maße für eine Massenherstellung geeignet ist da
alle Bauelemente gleich sind und hohe Packungsdichten zu erzielen sind. Dieser Vorteil ist insofern äußerst
bedeutsam, als gegenwärtige Herstellungsverfahren für Rechner mehr und mehr zum Aufbau in integrierter
Schaltungsweise tendieren.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Schieberegisterspeicherstufe für binär codierte Daten mit Feldeffekttransistoren, deren Gate-Source-Kapazität
als Speicherkapazität ausnutzbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Family
ID=23595948
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |