DE1801886C3 - Taktgesteuerte elektronische Ver zogerungsstufe mit Feldeffekttransistoren - Google Patents

Description

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der die Anode des ersten Transistors mit einem kapa- sind als getrennte Kondensatoren nur zur Erläutezitiven Ausgangsspeicherkreis und die Kathode die- rung der Schaltung dargestellt
ses Transistors mit der Anode eines zweiten Transi- Die Taktimpulsklemmen Q1 bis Q 4 sind mit Taktstors verbunden ist, bei der femer ein dritter Transi- impulsquellen verbunden, die Taktimpulse mit negastor vorgesehen ist, dessen Kathode mit der Anode 5 tiver Polarität liefern. Zwischen den einzelnen Taktdes ersten Transistors und dessen Anode mit der Be- impulsen liegt an den Taktknpulsklemmen Q1 bis triebsspannung verbunden ist, und bei der ein Ein- Q 4 ein Potential an, das dem Potential der positiven gangssignal an die Gatt-Elektrode des zweiten Tran- Betriebsspannung an der Erdleitung Eth entspricht, sistors und zwei aufeinanderfolgende Taktsteuer- Bei Anlegen eines negativen Potentials (d. h. einer impulse an die Anode des dritten und des ersten io logischen »1«) an die Eingangsklemme IP wird der Transistors angelegt werden, erfindungsgemäß da- Feldeffekt-Transistor M 3 in seinem leitenden Zudurch gelöst, daß der Serienschaltung des ersten und stand zwischen seinen Kathoden- und Anoden-Elekdritten Transistors die Anoden-Kathodenstrecke eines troden gehalten. Der Kapazität Cj ist daher die vierten Transistors parallel geschaltet ist, dessen Gatt- Kathoden-Anoden-Impedanz des Feldeffekt-Transi-Elektrode mit der Gatt-Elektrode des dritten und 15 stors M3 parallel geschaltet und diese Kapazität wird der Kathode des zweiten Transistors verbunden ist daher entladen. Bei Eintreffen des ersten Phasen-Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Er- Taktimpulses an der KlemmeQl leitet der Feldfindung sind die Gatt-Elektroden des dritten und effekt-Transistor M1, und die Kapazität Cn 1 wird vierten Transistors gemeinsam mit einer Quelle des auf die volle negative Betriebsspannung aufgeladen, ersten Taktimpulses verbunden, und die Anoden- «> Bei Abtrennen des ersten Phasen-Taktimpulses hört Elektroden des dritten und vierten Transistors sind der Feldeffekt-Transistor M1 auf zu leiten, und der gemeinsam mit der Betriebsspannung verbunden. Kondensator Cn 1 bleibt während der durch die Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung Zeitkonstanten bestimmten Periode geladen. Der der Erfindung sind die Gatt- und Anoden-Elektroden Eingang der die Feldeffekt-Transistoren M 4 bis M 6 des dritten und vierten Transistors miteinander und as enthaltenden zweiten Hälfte ist somit auf einen logimit der die Betriebsspannung liefernden Quelle des sehen »1 «-Zustand voreingestellt, und zwar infolge ersten Taktimpulses verbunden. Auf diese Weise des negativen Potentials, das durch die Ladung auf kann eine getrennte Betriebsspannungsqueife einge- der KapazitätCnI an der Gatt-Elektrode des Feldspart werden. effekt-TransistorsM6 anliegt.

Eine taktgesteuerte elektronische Verzögerungs- 30 Der zweite Phasen-Taktimpuls erscheint an der schaltung mit mindestens zwei identischen Verzöge- Klemme Q 2 und bewirkt das Leiten des Feldeffektrungsstufen der vorstehend beschriebenen Art ergibt Transistors M 2. Der Feldeffekt-Transistor M3 leitet sich dadurch, daß die Knotenkapazität des zweiten bereits infolge der logischen »1« an seiner Gatt-Elek-Transistors der zweiten Verzögerungsstufe als kapa- trode, und für die Kapazität Cn 1 wird ein Entzitive Ausgangsspeichervorrichtung der ersten Ver- 35 ladungsweg über die Feldeffekt-Transistoren M 2 und zögerungssrufe ausgebildet ist und daß die ersten Λί3 in Reihe zur Erde geschaffen. Am Ende des und zweiten von vier aufeinanderfolgenden Takt- zweiten Phasen-Taktimpulses ist daher die Ausgangsimpulsen an die erste Stufe und die dritten und vier- größe der die erste Hälfte der Verzögerungsschaltung ten Taktimpulse an die zweite Stufe angelegt sind. bildenden Verzögerungsstufe mit den Feldeffekt-Auf diese Weise ergibt sich eine vorteilhafte dyna- 40 Transistoren M1 bis M 3 umgekehrt zur Eingangsmische Vierphasen-Logik-Verzögerungsschaltung. größe, da — bei voll entladener KapazitätCnX — Die Erfindung wird im folgenden an Hand der die Eingangsgröße an der Gatt-Elektrode des Feld-Zeichnung noch näher erläutert. effekt-Transistors M6 eine logische »0« ist.

In der Zeichnung zeigt Die die zweite Hälfte der Verzögerungsschaltung

F i g. 1 das Schaltbild einer bekannten Vierphasen- 45 bildende Verzögerungsstufe ist mit der ersten Hälfte

Logik-Verzögerungsschaltung, identisch, sie wird jedoch durch die dritten und vier-

F i g. 2 das Schaltbild einer Ausführungsform einer ten Phasen-Taktimpulse gesteuert, die der Reihe nach

taktgesteuerten elektronischen Verzögerungsschal- an den Klemmen Q 3 und (24 erscheinen. Aufeinan-

tung, derfolgende Verzögerungsschaltungen entsprechen

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Ver- 50 der dargestellten Verzögerungsschaltung, und es ist

zögerungsschaltung nach F i g. 2. daher zwischen der Ausgangsklemme OP und der

Die in Fig. 1 dargestellte bekannte taktgesteuerte Erde Eth eine Knotenkapazität Cn2 vorhanden.

Verzögerungsschaltung ist eine Vierphasen-Schal- Der dritte an der Klemme Q 3 auftretende Phasen-

tung, die aus zwei Verzögerungsstufen mit insgesamt Taktimpuls bewirkt, daß der Feldeffekt-Transistor

sechs Feldeffekttransistoren Wl bis M6 besteht. Die 55 M4 leitet und die Kapazitäten2 in der gleichen

Elektrodenbezeichnungen sind für den Feldeffekt- Weise aufgeladen wird wie die Kapazität Cn 1 beim

transistor Ml dargestellt, wobei die Bezeichnungen ersten Phasen-Taktimpuls. Der Feldeffekt-Transistor

folgende Bedeutung haben: s ist die Kathoden- oder M 6 ist bei Anliegen einer logischen »0« an seiner

Quellenelektrode, d ist die Anoden- oder Senken- Gatt-Elektrode nicht leitend. Wenn der vierte Pha-

elektrode, g ist die Gatt- oder Toelektrode, b ist das 60 sen-Taktimpuls an der Klemme Q 4 erscheint und

Substrat oder die Basisverbindung. Es ist zu erken- das Leiten des Feldeffekt-Transistors MS bewirkt, ist

nen, daß sämtliche Substrate mit dem positiven Pol die Kapazität Cn 2 nicht entladen, da der Feldeffekt-

der Betriebsspannung an der Leitung Eth verbunden Transistor M6 nicht leitet. Am Ende des vollständi-

sind. Die Knotenkapazität ist als ein zusammenge- gen Zyklus von vier Taktimpulsen erscheint daher

faßter Kondensator CnI dargestellt; die unechte (un- 65 am Ausgang eine logische »1«, d.h. die gleiche Größe

gewollte) Kapazität ist in ähnlicher Weise als Kon- wie am Eingang, jedoch einen vollständigen Zyklus

densator Ci angedeutet. Diese Kapazitäten sind später. Jede der Verzögerungsstufen wirkt als ein

— wie oben erwähnt — der Schaltung inhärent und Halbzyklus-Verzögerungsinverter derart, daß in einer

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ähnlichen Weise wie oben beschrieben eine logische Erde an der Klemme Q1 über den Feldeffekt-Tran- »0« am Eingang einen vollständigen Zyklus später sistorM3, wenn der zweite Phasen-Taktimpuls an am Ausgang erscheint. In diesem Fall arbeitet die der Klemme Q 2 den Feldeffekt-Transistor M 2 leierste Stufe in der vorstehend für die zweite Stufe be- tend macht. Wenn eine logische »0« an der Einschriebene Weise. Das Auftreten des ersten Phasen- 5 gangsklemme IP liegt, so ist kein Entladungsweg Taktimpulses an der Klemme Ql lädt in der oben über den Feldeffekt-Transistor M 3 vorhanden, wenn beschriebenen Weise die Knotenkapazität Cn 1 auf. der Feldeffekt-Transistor M 2 leitet und die Kapazi-Wenn man annimmt daß die unechte Kapazität Ci 'täten CnI und Ci 2 parallel angeordnet sind. Da keine Ladung aufweist und wenn der Feldeffekt- beide Kondensatoren auf das gleiche Potential aufTransistor M 2 durch das Auftreten des zweiten io geladen sind, wird das Potential an der Gatt-Elek-Phasen-Taktimpulses an seiner Gatt-Elektrode lei- trode des Feldeffekt-Transistors M 6 auf einer vollen' tend gemacht wird, so ist die Kapazität Ci parallel logischen »1« gehalten. In ähnlicher Weise lädt der zu der geladenen Kapazität CnI geschaltet. In die- Feldeffekt-Transistor M 8 den Kondensator Cs 2 wähsem Falle ist kein Entladungsweg zur Erde Eth vor- rend des dritten Phasen-Taktimpulses vor.
handen, da der Feldeffekttransistor M 3 nicht leitend 15 Es ist zu erkennen, daß die vorher mit der Erdist (an seiner Gatt-Elektrode befindet sich eine lo- leitung Eth verbundene Kathoden-Elektrode des gische »0«). Die Ladung auf der Kapazität CnI wird Feldeffekt-Transistors M3 nunmehr mit der Klemme daher mit der Kapazität Cs geteilt, und das Potential Q1 verbunden ist. Dies ist notwendig, um zu verhinan der Gatt-Elektrode des Feldeffekt-Transistors M 6 dem, daß die Kapazität Cj 1 während der Ladewird vermindert und entspricht nicht mehr dem Wert ao periode des ersten Phasen-Taktimpulses parallel zur des vollen logischen »1 «-Potentials. Erde Ein geschaltet wird, wenn eine logische »1«

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Verzöge- an dem Eingang/P (Feldeffekt-TransistorM3 lei-

rungsschaltung nach Fig. 1, bei der der Nachteil der tend) vorhanden ist. In ähnlicher Weise ist die

Ladungsteilung vermieden ist. Die Bezeichnungs- Kathodenelektrode des Feldeffekt-Transistors M 6

weise der Bauteile der Fig. 2 entspricht der Bezeich- as mit der Klemme Q3 verbunden,

nungsweise in Fig. 1, und die Schaltung nach Fig. 2 Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der

weist zwei zusätzliche Feldeffekt-Transistoren M 7 Verzögerungsschaltung nach F i g. 2, bei der die FeId-

und M 8 auf. effekt-Transistoren Ml, M4, M7, M8 in abgeänder-

Die Grundarbeitsweise der Verzögerungsschaltung ter Weise geschaltet sind, wobei die übrige Schaltung

nach F i g. 1 entspricht der Arbeitsweise der Verzö- 30 mit der in F i g. 2 gezeigten Verzögerungsschaltung

gerungsschaltung nach Fig. 1. Im Fall der Fig. 2 identisch ist. In diesem Fall sind die Anoden-Elek-

sind jedoch Mittel vorgesehen, um die Kapazität Cs troden dieser Feldeffekt-Transistoren mit den Takt-

zur gleichen Zeit wie die Kapazitäten aufzuladen, impulsklemmen β 1 und Q 3 verbunden. Da diese

mit dem Ergebnis, daß keine Ladungsteilung auf- Feldeffekt-Transistoren nur während ihrer entspre-

treten kann. 35 chenden Taktimpulsperioden leiten müssen, ist es be-

Das Auftreten des ersten Phasen-Taktimpulses an quemer, die negativen Potentiale oder Betriebsspan-

der Klemme Ql bewirkt, daß die Feldeffekt-Transi- nungen sowohl für die Gatt- als auch für die Anoden-

storen Ml und M 7 leiten. Die Kapazität CnI wird Elektroden von einer Quelle abzunehmen. Dies spart

über den Feldeffekt-Transistor M1 auf das Takt- sehr viel Platz bei der Auslegung der integrierten

impulspotential und die Kapazität CjI wird über 40 Schaltung auf dem Silizium-Chip (Silizium-Plätt-

den Feldeffekt-Transistor M 7 ebenfalls auf das Takt- chen), da keine Metallisierung für eine negative Be-

impulspotential aufgeladen. Am Ende des ersten triebsspannungszuleitung und kein Verbindungsblock

Phasen-Taktimpulses kehrt die Klemme Ql auf Erd- erforderlich ist. Außerdem ist keine getrennte Quelle

potential zurück. Bei einer logischen »i« an der Ein- für ein negatives Betriebsspannungspotential erforgangsklemme IP entladen sich beide Kapazitäten zur 45 derlich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Eine derartige taktgesteuerte elektronische VerPatentansprüche: zögerungsstufe ist beispielsweise aus der Literaturstelle »Use fourphase MOS IC logic« von K a r ρ und-

1. Taktgesteuerte elektronische Verzögerungs- de AtI ey, »Elektronic Design«, Bd.7, 1. April stufe mit Feldeffekt-Transistoren gleichen Leit- 5 1967, S. 62 ft, bekannt Diese Verzögerungsstufe verfähigkeitstyps, bei der die Anode eines ersten wendet Metalloxyd-Feldeffekt-Transistaren., deren Transistors mit einem kapazitiven Ausgangsspei- Verwendung in logischen Verknüpfungsschaltungen, cherkreis und die Kathode dieses Transistors mit beispielsweise auch aus der Literaturstelle »Electroder Anode eines zweiten Transistors verbunden nies« vom 6. Februar 1967, S. 96, bekannt ist

ist, bei der femer ein dritter Transistor vorge- io Dynamische Logik-Systeme der eingangs genannsehen ist, dessen Kathode mit der Anode des ten Art verwenden die Knotenkapazität auf der Gattersten Transistors und dessen Anode mit der Be- Elektrode eines Feldeffekttransistors als Signalspeitriebsspannung verbunden ist, und bei der ein chervorrichtung. Bei einer derartigen Verzögerungs-Eingangssignal an die Gatt-Elektrode des zweiten stufe in integrierter Schaltungstechnik ist diese Kno-Trans.istors und zwei aufeinanderfolgende Takt- 15 tenkapazität eine Kombination aus folgenden Kapasteuerimpulse an die Anode des dritten und des zitäten: der Gatt-zu-Substratkapazität des Feldeffektersten Transistors angelegt werden, dadurch transistors, der Auoden-zu-Substratkapazität des in gekennzeichnet, daß der Serienschaltung der Schaltung vorhergehenden Feldeffekttransistors des ersten (/W 2) und dritten Transistors (Ml) die und der Metallisierung-zu-Substrat-Kapazität von der Anodcn^Kathoden-Strecke eines vierten Transi- ao die Zwischenverbindung zwischen den beiden Feldstors (M 7) parallel geschaltet ist, dessen Gatt- effekttiansistoren bildenden Metallisierung.
Elektrode mit der Gatt-Elektrode des dritten Die Knotenkapazität weist einen typischen Wert (M 1) und der Kathode des zweiten Transistors im Bereich von einem halben bis zu einigen pF auf (M 3) verbunden ist. und wird bei Schaltungsbetriebsbedingungen durch

2. Verzögerungsstufe nach Anspruch 1, da- 35 das kurze Anlegen ernes Taktimpulses aufgeladen, durch gekennzeichnet, daß die Gatt-Elektroden Beim Abschalten des Taktimpulses wird das Impulsdes dritten (Ml) und vierten (M 7) Transistors potential auf der Gatt-Elektrode durch die auf gegemeinsam mit einer Quelle des ersten Taktimpul- ladene Knotenkapazität für die Periode der Zeitkonses (Ql) verbunden sind und daß die Anoden- stanten aufrechterhalten, die sich aus der Knotenelektroden des dritten (Ml) und vierten (M 7) 30 kapazität und den verschiedenen Streuimpedanzen Transistors gemeinsam mit der Betriebsspannung ergeben. Für einen richtigen Betrieb der logischen verbunden sind. Reihenfolge muß das Anlegen des nächsten Takt-

3. Verzögerungsstufe nach Anspruch 1, da- impulses innerhalb dieser Periode der Zeitkonstante durch gekennzeichnet, daß die Gatt- und Anoflen- erfolgen, wodurch die minimale Arbeitsgeschwindig-Elektroden des dritten (Ml) und vierten (M 7) 35 keit des Systems festgelegt ist

Transistors miteinander und mit der die Betriebs- In einer Vierphasen-Logik-Verzögerungsstufe lädt

spannung liefernden Quelle des ersten Taktimpul- der erste Phasen-Taktimpuls die Knotenkapazität auf

ses (Ql) verbunden sind. und der zweite Phasen-Taktimpuls wird zum Ab-

4. Taktgesteuerte elektronische Verzögerungs- tasten des Zustandes der Logik-Eingangsgröße (d. h. schaltung mit mindestens zwei identischen Ver- 40 einer »0« oder einer »1«) verwendet Wenn die Einzögerungsstufen nach einem der Ansprüche 1 gangsgröße eine »0« ist, so bleibt die Knotenkapazibis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Knoten- tat unbeeinflußt. Wenn die Eingangsgröße eine »1« kapazität des zweiten Transistors (M 6) der zwei- ist so wird die Knotenkapazität entladen.

ten Verzögerungsstufe als kapazitive Ausgangs- Während dieser Abtastperiode ist ein weiterer

speichervorrichtung der ersten Verzögerungs- 45 Feldeffekttransistor in den Kreis eingeschaltet, und

stufe ausgebildet ist und daß die ersten und zwei- dies bewirkt die Parallelschaltung einer weiteren

ten von vier aufeinanderfolgenden Taktimpulsen Kapazität zur Knotenkapazität

an die erste Stufe und die dritten und vierten Diese zusätzliche oder »unechte« Kapazität ist die

Taktimpulse an die zweite Stufe angelegt sind. Kapazität der Anoden-zu-Substrat-pn-Grenzschicht

50 des weiteren Feldeffekttransistors. Die Ladung auf der Knotenkapazität wird daher auf diese Kapazität

und die echte Kapazität aufgeteilt wenn diese letztere Kapazität nicht schon geladen ist Dieser Vorgang ist in der Technik allgemein als »Ladungstei-

Die Erfindung bezieht sich auf eine taktgesteuerte 55 lung« bekannt, und diese Ladungsteilung bewirkt die elektronische Verzögerungsstufe mit Feldeffekt- Verminderung des Potentials an der Knotenkapazität. Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps, bei der die Das Potential auf der Gatt-Elektrode wird somit verAnode eines ersten Transistors mit einem kapaziti- mindert, wodurch der Betrieb des Logiksystems beven Ausgangsspeicherkreis und die Kathode dieses einflußt werden kann, da das Potential, das den logi-Transistors mit der Anode eines zweiten Transistors 60 sehen Wert »1« darstellt und für das der Betrieb verbunden ist, bei der ferner ein dritter Transistor des Systems ausgelegt ist, nicht aufrechterhalten wird, vorgesehen ist, dessen Kathode ,mit der Anode des Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ersten Transistors und dessen Anode mit der Be- Verzögerungsstufe der eingangs genannten Art zu triebsspannung verbunden ist, und bei der ein Ein- schaffen, bei der das Problem der Ladungsteilung gangssignal an die Gatt-Elektrode des zweiten Tran- 65 nicht auftritt.

sistors und zwei aufeinanderfolgende Taktsteuer- Diese Aufgabe wird ausgehend von einer taktgeimpulse an die Anode des dritten und des ersten steuerten elektronischen Verzögerungsstufe mit Feld-Transistors angelegt werden. effekt-Transistoren gleichen Leitfähigkeitstyps, bei