DE2022255A1

DE2022255A1 - Logische Schaltung mit dynamischer Taktgabe

Info

Publication number: DE2022255A1
Application number: DE19702022255
Authority: DE
Inventors: Heeren Richard Harry
Original assignee: Teletype Corp
Current assignee: AT&T Teletype Corp
Priority date: 1969-05-07
Filing date: 1970-05-06
Publication date: 1970-11-19
Also published as: CH542550A; GB1310930A; ES380075A1; CA998444A; US4065679A; FR2047375A5; BR7018881D0; BE749886A; SE358525B; NL7005483A

Description

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Teletype Corporation in Skokie, Illinois, V.St.A. Logische Schaltung mit dynamischer Taktgabe

Die Erfindung betrifft eine logische Schaltung zur Umsetzung der Impedanz eines logischen Bauelements in die Ladung einer Kapazität mittels einer Torschaltung, die periodisch von einem Taktsignal geöffnet wird, um einen gerichteten Ladestrom zu der Kapazität durchzulassen.

Mit der Technik der integrierten Schaltungen können Tausende von Bauelementen auf einer Halbleiterunterlage, die vorher nur für ein Bauelement benutzt wurde, untergebracht werden. Durch die Verringerung der Abmessungen und die Erhöhung der packungsdichte werden die elektrischen und thermischen Eigenschaften, velche den Entwurf solcher Schaltungen beeinflussen, geändert. Wenn z. B. die Größe eines MOS- "

Feldeffekt-Transistors verringert vird, nimmt die kleinst· erzielbare Impedanz zwischen den Hauptelektroden desselben zu. Durch die größere Packungsdichte vird die StreukapasitÄt verringert und die mittlere zulässige Verlustleistung jedes Bauelementes herabgesetzt. Ferner vird die Anbringung der Zuleitungen immer schwieriger.

Es sind neue Schaltungsanordnungen entwickelt worden, un diesen neuen Umständen Sechnung zu tragen und die Schaltungen £Vtr eine Integration in großen Maßstab besser geeignet zu machen. Ein« bekannt· derartige Schaltung be-

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steht aus einem logischen Netzwerk mit mehreren Feldeffekt-Transistoren, dia je nach ihrem logischen Zustand offen oder gesperrt sind, in Reihe mit einem als Feldeffekt-Transistor ausgebildeten Lastglied. Diese Reihenschaltung liegt zwischen zwei festen Bezugsspannungen. Eine als Feldeffekt-Transistor ausgebildete Torschaltung verbindet die Verbindungsstelle des logischen Netzwerkes und des Lasttransistors mit einer anderen logischen Stufe oder einem Verbraucher, die einen Kondensator enthalten können. Der Torschaltungs-Transistör wird periodisch geöffnet, um den logischen Zustand an der erwähnten Verbindungsstelle auf den Kondensator zu übertragen.

Diese Schaltungsanordnung hat verschiedene Nachteile. Die Impedanz zwischen den Hauptelektroden des Lasttransistors nuß eine bekannte Beziehung zur Impedanz des logischen Netzwerkes im geöffneten und gesperrten Zustand haben. Dadurch wird di® Ausbeute verringert, da j_e- der Feldeffekt-Transistor Eigenschaften haben muß, die in einem begrenzten Bereich liegen. Wenn, das logische Netzwerk ferner im geöffneten Zustand ist, fließt ständig Strom im Lasttransistor und dem logischen Netzwerk, wodurch Energie verbraucht wird. Auch können nicht alle Transistoren die kleinstmöglichen Abmessungen haben, weil bestimmte Impedanzbeziehungen gewahrt bleiben müssen, weshalb mehr Platz als nötig verschwendet wird. Schließlich müssen zwei Leitungen zur Energiezufuhr an die Schaltung herangebracht werden, wofür weiterer F latz benötigt wird.

In der US-patentschrift 3 365 707 ist eine logische Schaltung mit dynamischer.Ta^tgabe beschrieben, bei der die obige Schaltung insofern abgeändert ist, als nicht nur der Torschaltungs-Transistor, sondern auch der Lasttransistor gesteuert ist. Infolgedessen fließt nur wlhrend der Oeffnungseeiten ein Strom. Dadurch wird der Energieverbrauch

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der Schaltung verringert. In den Oeffnungszeiten fließt aber inner noch ein Ruhestrom und die anderen beschriebenen Nachteile sind ebenfalls vorhanden.

Ein anderer Vorschlag für einen logischen Schaltkreis in einer integrierten Schaltung betrifft einen gesteuerten Lasttransistor in Reihe mit einem Steuertransistor, der seinerseits in Seihe mit einen logischen Netswerk liegt. Die ganze Serienschaltung liegt zwischen zwei festen Spannungen. Der gesteuerte Lasttransistor wird mit Impulsen beaufschlagt, um .einen Ausgangskondensator zu laden. Nach der Aufladung desselben wird der Lasttransistor gesperrt und der zweite Steuertransistor wird mit Impulsen beaufschlagt, um den Kondensator zu entladen, wenn das logische Netzwerk einen Kurzschluß darbietet. Auf diese Weise bleibt bei gesperrtem logischen Netzwerk die Spannung am Kondensator erhalten, während bei geöffnetem Netzwerk der Kondensator entladen wird. Hier ist kein Kuhestrom erforderlich, so daß die Verlustleistung stark herabgesetzt wird. Die Impedanzwerte der verschiedenen Feldeffekt-Transistoren können über große Bereiche streuen, ohne die Arbeitsweise zu beeinflussen. Die Anordnung benötigt aber noch zwei Feldeffekt-Transistoren zusätzlich zu dem logischen Netzwerk. Auch müssen zwei Energieleitungen an den Schaltkreis herangeführt werden. Diese Schaltung benötigt ferner i» Gegensatz zu der vorher beschriebenen Schaltung zwei Taktimpulse für jede Binärstufe.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine logische Schaltung der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, die von den obigen Nachteilen frei ist, also insbesondere zur Verwendung in integrierten Schaltungen geeignet ist, aber geringen Energieverbrauch hat, Mit wenigen Bauelementen auskommt und nur einen Taktimpuls für jede Binärstufe benötigt.

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße logische Schaltung zur Umsetzung der Impedanz eines logischen Bauelements in die Ladung einer Kapazität mittels einer Torschaltung, die periodisch von einem Taktsignal geöffnet vird, um einen gerichteten Ladestrom zu der Kapazität durchzulassen, dadurch gekennzeichnet, daß das logische Bauelement und die Torschaltung sich in zwei parallel geschalteten Leitungszweigen befinden, deren einer Knotenpunkt mit der Kapazität verbunden ist und deren anderer Knotenpunkt zur Anlegung des Taktsignals dient, derart, daß die in einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Abschalten der Torschaltung an der Kapazität verbleibende Ladung vom Wert der Impedanz des logischen Bauelements abhängt.

Bei einer Ausftihrungsform der Erfindung ist das logische Bauelement unmittelbar parallel zu der Torschaltung geschaltet. Wenn das am einen Knotenpunkt angelegte Taktsignal seinen einen Zustand annimmt, lädt die Torschaltung die am anderen Knotenpunkt angeschlossene Kapazität auf die betreffende Spannung auf. Wenn das Taktsignal seinen zveiten Zustand annimmt, vird die Torschaltung gesperrt, ergibt also eine hohe Impedanz parallel zu dem logischen Bauelement. Hat das logische Bauelement ebenfalls eine hohe Impedanz, so bleibt die Kapazität auf die betreffende Spannung aufgeladen. Befindet sich das logische Bauelement in einem Zustand, der eine kleine Impedanz ergibt, so vird die Kapazität auf den jetzigen Spannungspegel des Taktsignals aufgeladen. Auf diese Weise verden die Impedanzzustände des logischen Bauelementes in ein digitales Spannungssignal vervandelt, ohne einen Ruhestrom oder Energiezuleitungen zu benötigen. Alle Bauelemente können kleinstmögliche Abmessungen haben, da keine Impedanzbeziehungen eingehalten verden müssen. Es ist nur eine zusätzliche Steuervorrichtung außer dem logischen Bauele-

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ment nötig. Für eine Binärstufe ist nur ein Taktsignal erforderlich. Alle diese Eigenschaften tragen zu einer erheblichen Steigerung der packungsdichte bei.

In einer Ausführungsform wird eine gesteuerte Phasenauf spaltungsfuhktion durch einen parallel geschalteten logischen Schaltkreis übernommen, der einen Feldeffekt-■ Transistor als Torschaltung zur Tastung eines Kondensators enthält. Die Impedanz zwischen den Hauptelektroden des Feldeffekt-Transistors dient als die Impedanz des logisehen Bauelements in der erwähnten parallelschaltung. Eine zweite Torschaltung, deren Steuerelektrode durch das Taktsignal beaufschlagt wird, ist mit einer Hauptelektrode an einen zweiten Kondensator angeschlossen. Diese Hauptelektrode ist ferner mit der Steuerelektrode des Feldeffekt-Transistor s verbunden. Einer anderen Hauptelektrode dieser Torschaltung wird ein Informationssignal zugefjährt. Wenn das Taktsignal seinen ersten Wert annimmt, wird der erste Kondensator auf diesen Wert und der zweite Kondensator auf den Wert des Informationssignals aufgeladen· Wenn das Taktsignal seinen zweiten Wert annimmt, steuert das im zweiten Kondensator gespeicherte Signal den Feldeffekt-Transistor sq., daß er denjenigen Impedanzwert annimmt, der den ersten Kondensator dazu veranlaßt, eine sun zweiten Kondensator komplementäre Ladung anzunehmen.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind %

FigJL ein Uebersichtsschaltbild einer logischen Schaltung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung der verwendeten Taktsignal«

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Fig. 3 ein Schaltbild eines erfindungsgeniäß aufgebauten

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Die in Fig. 1 dargestellte logische Schaltung enthält ein logisches Bauelement 10, das zwischen den Klemmen 11 und 12 eine steuerbare Impedanz aufweist, parallel zu diesen Klemmen ist die Impedanz eines Feldeffekt-Transistors 13 zwischen dessen Hauptelektroden geschaltet. Beispielsweise ist dieser Transistor als Feldeffekt-Transistor mit p-Kanal im Atromfr«igabe"Odus ausgebildet«. Die Steuerelektrode 14 des Feldeffekt-Transistörs 13 ist mit der Klemme 11 des logischen Bauelements 10 verbunden. DieserKlemme 11 wird ein Taktsignal 0₁ von einem Taktgeber 16 zugeführt. Die Klemme 12 des logischen Bauelements 10 ist mit einer Elektrode eines Kondensators 17 verbunden, dessen andere Elektrode geerdet ist.

Das logische Bauelement 10 verändert seine Impedanz entsprechend bestimmten Verknüpfungen der an den Eingangsklemmen 18, 19 und 21 desselben auge?ührten binären Signale· Soll das Bauelement beispielsweise als NAND-Gatter mit drei Eingängen arbeiten, so kann es aus drei mit ihren Hauptelektroden in Reih® geschalteten Feldeffekt-Transistoren bestehen. Es kann jedes beliebige Bauelement mit veränderbarer Impedanz zwischen zwei Klemmen 11 und verwendet werden. Die Anzahl der Eingangsklemmen hängt von der auszuführenden logischen Funktion ab.

Ein zweites logisches Bauelement 22, das mit einem Feldeffekt-Transistor 23 und einem Kondensator 24 zusammenwirkt, wird von einem Taktsignal 0^ vom Taktgeber 16 beaufschlagt. Ein« Leitung 27 verbindet den Ausgang des Bauelements 10 (Kondensator 17) mit einer Eingangeklemme 26 des Bauelements 22. Dieses hat ferner z. B. zwei weitere Eingangskiemmen 28 und 29.

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Im Zeitpunkt T₁ (Fig. 2) geht das Taktsignal 0_χ vom Erdpotential auf ein negatives Potential -V über, so daß ein negatives Signal auf das Bauelement 10, den Feldeffekt-Transistor 13 und die Steuerelektrode 14 desselben gegeben wird. Durch dieses negative Signal an der Steuerelektrode wird der Feldeffekt-Transistor 13 aus seinem Sperrzustand, in demer eine Impedanz von etwa 10 Ohm aufweist, in den leitenden Zustand umgeschaltet, in dem er eine Impedanz von z. B. 5 x 10⁴ Ohm besitzt. Die Impedanz des Bauelements 10 zwischen den Klemmen 11 und 12 kann entweder niedrig oder hoch sein. Der bondensator 17 wird deshalbtiber die Parallelschaltung der Impedanz des Transistors 13 und derjenigen des Bauelements 10 auf das negative Potential -V aufgeladen. In einer integrierten Schaltung kann der Kondensator 17 eine verteilte Kapazität darstellen. Sein Wert betragt dann ζ. B. 2 χ ΙΟ"¹² Farad.

Im Zeitpunkt Τ. geht das Signal 0 von Erdpotential auf den negativen Wert -V über, wodurch Kondensator 24 über den Transistor 23 und die Impedanz des Bauelements 22 in gleicher Weise wie oben auf die Spannung -V aufgeladen wird. Reihenfolge und Abstand der Zeitpunkte T, und T sind nicht kritisch. Die Taktsignale J^₁ und..JZf₂ können in beliebiger Seihenfolge oder auch gleichzeitig einsetzen.

Im Zeitpunkt T kehrt jzi_ wieder auf Erdpotential zurück, sperret den Feldeffekt-Transistor 13 und erteilt dessen Hauptelektroden wieder eine hohe Impedanz. Die Impedanz zwischen den Klemmen 11 und 12 besitzt nun je nach dem Zustand des Bauelements 10 bzw. der Kombination der an seinen Eingangsklemmen liegenden Signale einen hohen oder einen niedrigen Wert. Ist die Impedanz des Bauelements hoch, so wird die Spannung -V auf den Kondensator 17

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wahrend einer Zeit gespeichert, die von der Zeitkonstante dieses Kondensators und der Impedanzwert der Parallelschaltung des gesperrten Transistors 13 und des Bauelements 10 abhängt. Herrscht dagegen zwischen den Klemmen 11 und 12 des Bauelements 10 eine niedrige Impedanz, so wird der Kondensator 17 mit einer Geschwindigkeit entladen, die von der Impedanz des Bauelements 10 und der Kapazität des Kondensators 17 abhängt. Beispielsweise beträgt die Zeitkonstante der Entladung, wenn das Bauelement 10 gesperrt ist (hohe Impedanz), ein Zehntelsekunde, und bei geöffnetem Bauelement 10 (niedrige Impedanz), ein Zehntel-Mikrosekunde.

Im Zeitpunkt T₄ schaltet das Taktsignal gf von -V auf Erdpotential, so daß Transistor 23 gesperrt wird. Die im Kondensator 17 gespeicherte Spannung tritt an der Eingangsklemme 26 des Bauelements 22 auf. Diese Spannung zusammen mit den Signalen an den Eingangsklemmen 28 und 29 bestimmt den Impedanzzustand des logischen Bauelements 22. Hat dieses eine hohe Impedanz angenommen, so entlädt sich Kondensator 24 mit einer Zeitkonstante von etwa ein Zehntel-Sekunde, während bei niedriger Impedanz des Bauelements 22 der Kondensator 24 sich mit einer Zeitkonstante von etwa ein Zehntel Mikrosekunde auf Erdpotential entlädt.

Um eine richtige Arbeitsweise zu gewährleisten, muß T₄ nach T eintreten und das Intervall zwischen Τ. und T₄ soll lang im Vergleich zu einer Zehntel Mikrosekunde, jedoch kurz im Vergleich zu einer Zehntel Sekunde sein. Aus den betreffenden Zeitkonstanten ergibt sich, daß der Impedanzbereich der Bauelemente 10 und 22 und der Transistoren 13 und 23 in einer beträchtlichen Breite schwanken kann, ohne die Arbeitsweise der Schaltung zu beeinträchtigen, so lange ein ausreichendes Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten T₃ und T₄ verstreicht. Beträgt

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dieses Intervall, ζ. B. 10 MikroSekunden, so kann sowohl die Sperrimpedanz, als auch die Oeffnungsimpedanz all dieser Bauelemente sich um eine Größenordnung ändern, ohne die Arbeitsweise der Schaltung zu beeinträchtigen.

Die aufeinanderfolgenden Binärstufen werden durch die Kombination der beiden logischen Bauelemente 10 und 22 ohne Zuhilfenahme einer Spannungsquelle dargestellt. Die gesamte Energie für die Betätigung der Schaltung wird von den Taktsignalen geliefert, die von dem Taktgeber 16 ausgehen. Auch fließt kein Dauerstrom im Stromkreis. Der einzige benötigte Strom ist der Lade- und Entladestrom für die Kondensatoren 17 und 24.

Um ein Ausgangssignal vom Kondensator 24 zu erzeugen, wird das Taktsignal 0 in einem Verzögerungsglied 31 um etwa 10 Mikrosekunden verzögert, damit ein Prüfkreis 32 nach einem Intervall von 10 Mikrosekunden nach dem Zeitpunkt T. den Kondensator 24 prüfen und seinen Ausgangszustand feststellen kann.

Statt der Feldeffekt-Transistoren könnten auch einfache Dioden für die Torschaltungen eingesetzt werden.

Eine Schaltung zur Gewinnung eines getasteten logischen Signals und seines Komplements, also ein PhasenaufspaIter, gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Das einer ersten Hauptelektrode 33 eines Feldeffekt-Transistors 34 zugeführte Binärsignal wird von einem Taktsignal JZf₁ periodisch abgetastet. Das Signal 0₁ wird der Steuerelektrode 36 des Feldeffekt-Transistors 34 über Leitungen 37 und 38 zugeführt, um die Information des Datensignals auf den Kondensator 39 zu übertragen, wenn das Signal 0_± negativ wird.

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Das Signal 0^ wird £ern@r den gemeinsamen Elektroden 41 und

42 parallel g©schalteter Feldeffekt-Transistoren 43 und 44 und der Steuerelektrode 46 des Feldeffekt-Transistörs 43 zugeführt. Der Transistor 43 wird dadurch geöffnet, wenn 0₁ negativ wird, so daß Kondensator 47 auf die entsprechende negati» Spannung aufgeladen wird. Wenn das Taktsignal 0 auf Erdpotential zurückgeht, wird der Feldeffekt-Transistor

43 gesperrt. Der Zustand des Transistors 44 wird durch das im Kondensator 39 gespeicherte Signal gesteuert. Wenn ein negatives Signal am Kondensator 39 auftritt, wird der Transistor 44 geöffnet und entlädt den Kondensator 47 auf das Erdpotential des Signals 0 »Ist dagegen im Kondensator 39 ein Signal mit Erdpotential gespeichert, so bleibt der Transistor 44 gesperrt und der Kondensator 47 hält das negative Signal. Somit ist in einem festen Zeitpunkt nach der Rückkehr des Signals 0₁ auf Erdpotenfcial das am Kondensator 47 auftretende Signal stets das Komplement des Signals am Kondensator 39» Der Feldeffekt-Transistor 43 entspricht dem Feldeffekt-Transistor 13 bzw. 23 in der Schaltung naijh Fig« 1. Kondensator 47 entspricht dem Kondensator 17 oder 24 und der Feldeffekt-Transistor 44 zusammen mit dem Kondensator 39 entspricht den logischen Bauelementen Io und 22 in Fig. 1.

Die beschriebenen Schaltungsprinzipien können auch zur Verwirklichung anderer Schaltkreise verwendet werden. Sie sind xur Datenverarbeitung allgemein verwendbar. Beispielsweise können die logischen Bauelemente 10 und 22 in Fig. 1 auch aus je einem Feldeffekt-Transistor bestehen; die Steuerelektroden dieser Transistoren können entsprechend den Zuständen einzelner binärer Bits oder den Kombinationsiaöglichkeiten mehrerer Bits beaufschlagt werden. Weitere logische Bauelemente können den Bauelementen 10 und 22 in Fig. parallel geschaltet und mit weiteren Eingangssignalen beaufschlagt werden, so daß die Kondensatoren 17, 24 usw. nur

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dann geladen bleiben, verm alle parallel geschalteten "■ logischen Bauelemente sich im Zustand hoher Impedanz befinden. Mit einer solchen Anordnung* können mehrstellige Binärzahlen decodiert verden, d.h. für jede mögliche Kombination einen anderen Kondensator aufladen.

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Claims

Patentansprüche

l_t/ Logische Schaltung zur Umsetzung der Impedanz eines logisehen Bauelements in die Ladung einer Kapazität mittels einer Torschaltung, die periodisch von einem Taktsignal geöffnet wird, um einen gerichteten Ladestrom zu der Kapazität durchzulassen, dadurch gekennzeichnet, daß das logische Bauelement (10, 44) und die Torschaltung (I3, 33) sich in zwei parallel geschalteten Leitungszweigen befinden, deren einer Knotenpunkt mit der Kapazität (17, 47) verbunden ist und deren anderer Knotenpunkt zur Anlegung des Taktsignals (JZL) dient, derart, daß die in einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Abschalten der Torschaltung an der Kapazität verbleibende Ladung eine Funktion des Wertes der Impedanz des logischen Bauelements ist.
2. Logische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung (13, 43) ein gesteuerter Schaltkreis ist, dessen Steuerelektrode (14, 46) mit dem Taktsignal (0 ) beaufschlagt wird, so daß der an der Steuerelektrode angelegte Signalpegel den Impedanzwert zwischen den beiden in den betreffenden Leitungszweig eingeschalteten Hauptelektroden der Torschaltung bestimmt.
3. Logische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein weiteres logisches Bauelement (22), dessen einer Eingang (26) mit der Kapazität (17) verbunden ist und dessen Impedanz mit einer zweiten Torschaltung (23), einer zweiten Kapazität (24) und einem Taktsignal (0 ) in gleicher Weise wie das erste logische Bauelement (10) verbunden ist, sowie dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Spannungswerte des zweiten Taktsignals (0p)t welche die zweite Torschaltung (23) öffnen, entsprechende Spannungswerte des ersten Taktsignals (JZf₁) überlappen und den erwähnten Zeitpunkt einschließen.

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4. Logische Schaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen periodisch betätigten Prüfkreis (32) zur Bereitstellung eines Ausgangssignals, das der Ladung der zweiten Kapazität (24) in einem Zeitpunkt entspricht, in welchem diese Ladung eine Funktion des Impedanzwertes des zweiten logischen Bauelements (22) ist.
5. Logische Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Taktsignal (0 ) dem Prüfkreis(32).über ein Verzögerungsglied (31) zugeführt wird.
6. Logische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das logische Bauelement aus einem Feldeffekt-Transistor (44) besteht.
7. Logische Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kapazität (39), auf die ein Informations-Bit (über 33) gegeben werden kann, um die Kapazität auf einen Spannungspegel aufzuladen, der dem Wert des Informations-Bit entspricht, mit der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors (44) derart verbunden ist, daß der letztere für einen Ladungspegel der zweiten Kapazität, welche in der, Polarität der Ladung der ersten Kapazität (47) bei geöffneter Torschaltung (43) entspricht, die Impedanz des .Feldeffekt-Transistors (44) zwischen dessen Hauptelektroden herabsetzt.
8. Logische Schaltung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine zweite Torschaltung (34) in Leitungezug von der Eingangsklemme (33) £\ir das Informations-Bit-Signal xu der zweiten Kapazität (39), die ebenfalls durch das Taktsignal (JZi₁) geöffnet werden kann«

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9. Logische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltungen (13, 23» 43, 34) je aus einem Feldeffekt-Transistor bestehen, dessen Steuerelektrode mit dem Taktsignal derart beaufschlagt vird, daß die Impedanz zwischen den Hauptelektroden abwechselnd einen hohen und einen niederen Wert annimmt.

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