DE2111409A1 - Dynamisches Schieberegister - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 8. März 1971 ru-sk

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10

Amtl.Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenz.d.Änmeld.: FI 969082

Dynamisches Schieberegister

Die Erfindung betrifft ein dynamisches Schieberegister mit Speicherzellen aus bipolaren Transistoren, unter Ausnutzung von vorhandenen Kapazitäten zur Zwischenspeicherung .

In bekannten Schieberegistern wird die binäre Information, die in dem Schieberegister gespeichert ist, durch Verschiebeimpulse, die gleichzeitig oder nacheinander allen Stufen des Schieberegisters zugeführt werden, verschoben. Die Zuführung der Verschiebeimpulse erfolgt dabei entweder in einem einzigen Takt oder in zwei bzw. mehr Takten. Die Taktimpulse können dabei außerdem noch überlappt bei mehrtaktischen Schieberegistern auftreten. Jede Stufe eines derartig aufgebauten Schieberegisters, die zur Speicherung eines Bits geeignet ist, benötigt

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zwei Energiespeicher, da ein Speicher nicht gleichzeitig ein Bit aufnehmen und abgeben kann, ohne daß die darin enthaltene Information zerstört wird. Als Energiespeicher finden beispielsweise bistabile Multivibratoren, Magnetkerne oder Kurzzeitspeicher, wie Verzögerungsglieder oder schädliche Kapazitäten, Verwendung.

Um die Zwischenspeicherung der zu verschiebenden Datenimpulse zu vermeiden, wurde in der deutschen Auslegeschrift 1 193 553 vorgeschlagen, daß zur Verschiebung der gesamten gespeicherten binären Information um eine Stelle die Verschiebeimpulse den Stufen nacheinander entsprechend ihrer Aufeinanderfolge, und zwar beginnend mit der in Verschieberichtung vordersten Stufe zugeführt werden, wobei zur Erzeugung der Verschiebeimpulse ein Impulsgenerator mit Verzögerungsleitung, die mehrere Abgriffe besitzt, verwendet wird.

Außerdem sind Schieberegister bekannt, die mit Feldeffekttransistoren aufgebaut sind. So wurde z.B. vorgeschlagen, einen Speicher mit Feldeffekttransistoren aufzubauen, der dadurch charakterisiert ist, daß jede Speicherzelle drei Feldeffekttransistoren enthält, von denen die erste zur Speicherung der Information mit Hilfe der Kapazität zwischen dessen Tor- und Quellenanschluß, der zweite für die Ausgabe und der dritte für die Eingabe der Informationen vorgesehen sind, wobei der Toranschluß des ersten mit dem Quellenanschluß des dritten Feldeffekttransistors und der Senkenanschluß des ersten mit dem Quellenanschluß des zweiten Feldeffekttransistors verbunden sind, deren Quellenanschluß des ersten Feldeffekttransistors auf einem Beaugspo-

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tential liegt, sowie die Senkenanschlüsse des zweiten und des dritten Feldeffekttransistors an eine gemeinsame Ein- und Ausgabeleitung angeschlossen sind, und daß Steuermittel vorgesehen sind, die mit den Toranschlüssen des zweiten und des dritten Feldeffekttransistors verbunden sind. Dieser Aufbau einer Speicherzelle hat jedoch den Nachteil, daß mindestens drei Halbleiter für eine Speicherzelle benötigt werden, wodurch ein relativ großer Platz auf dem Substrat benötigt wird.

Außerdem sind noch ein- und mehrtaktische Schieberegister μ durch die Schweizer Patentschriften Nr. 417 779 und Nr. 456 774 bekannt geworden. Die darin gezeigten Speicherzellen des Schieberegisters sind insbesondere mit Feldeffekttransistoren ausgestattet und haben den Nachteil, daß sie relativ viel Platzbedarf auf dem Substrat benötigen, wenn die Schieberegister in integrierter Technik ausgeführt werden. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Schieberegister mit Speicherzellen zu schaffen, die aus bipolaren Halbleiterelementen aufgebaut sind und relativ wenig Platz in integrierter Technik auf dem Substrat benötigen, wobei eine sichere Verschiebung der gespeicherten Daten ohne Beeinflußung der Nachbarzellen gewährleistet sein muß. %

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Speicherstufe aus einer ersten Speicherzelle und einer zweiten Speicherzelle besteht, wobei sowohl die erste als auch die zweite Speicherzelle aus einer Reihenschaltung einer Diode und einem Transistor und einer parasitären Kapazität zwischen dem Kollektor des genannten bipolaren Transistors und Masse besteht.

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— Λ —

Durch die direkte Kopplung der einzelnen Stufen der Zellen und der Speicherzellen untereinander wird für die Verschiebung und Aufrechterhaltung der gespeicherten Information eine sehr kleine Leistung benötigt, wodurch eine Erhöhung der Zellendichte pro Flächeneinheit in einem Maße erreicht wird, wie es bisher nicht möglich war.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig.l eine Stufe eines Schieberegisters;

Fig.IA die zum Betrieb der Speicherzelle nach Fig.l benötigten Impulse;

Fig.IB den Spannungverlauf in der Zeiteinheit über der parasitären Kapazität der Zelle nach Fig.l für beide Signalpegel, die als Eingangssignal an die Zelle gelegt werden und

Fig.2 ein Schieberegister, das aus mehreren Speicherzellen nach Fig.l besteht.

In Fig.l ist eine Stufe eines monolithischen dynamischen Schieberegisters mit bipolaren Halbleiterelementen, das gepulst betrieben wird, dargestellt. Eine Stufe 10 enthält eine erste Zelle 12 und eine zweite damit verbundene Zelle 14. Die Zelle 12 besteht aus einem Regenerationsanschluß 16, an den die Regenerationsimpulse 18, wie in Fig.IA dargestellt, angelegt werden. Die Regenerationsimpulse 18 werden einen Ladungsweg, der aus der Diode 20, dem Sctialtpunkt 22 und der parasitären Kapazität 22, 109840/156 (J

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die ihrerseits mit Masse verbunden ist, das z.B. das Substrat eines integrierten Halbleiterplättchens darstellen kann, zugeführt. Ein Dateneingangs-Anschlußpunkt 26 empfängt die bipolaren Datenimpulse, dargestellt in Fig. im oberen Pegel 28, und die Anschlußpunkte 30 empfangen die Torimpulse 32. Mit den Anschlußpunkten 26, 30 und dem Schaltungspunkt 22 ist ein bipolares Halbleiterbauelement oder ein bipolarer Transistor 34 verbunden. Der Ausgang 36 ist mit dem Schaitungspunkt 22 und der Kapazität 24 verbunden und gibt Ausgangsdatensignale in Abhängigkeit von am Eingang 26 stehenden Eingangssignalen M ab. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die parasitäre Kapazität 24 aus dem PN-Kondensator zwischen dem Kollektor des NPN-Halbleiters 34 und dem Substrat.

Die zweite Zelle 14 der in Fig. 1 dargestellten Schieberegisterstufe enthält dieselben Bauelemente wie die erste Zelle 12. Der Ausgangsanschlußpunkt 36 der Zelle ist nun der Eingangsanschlußpunkt für die Zelle 14. Außerdem ist der Anschlußpunkt 40 der Ausgang für die zweite Zelle 14, der gleichzeitig damit der Ausgang für die gesamte in Fig. 1 dargestellte Schieberegisterstufe 10 ist. Die Zelle 14 enthält vorzugsweise einen Regene- ™ rationsanschlußpunkt 42, an den die Regenerationsimpulse 44 angelegt sind und einen Torimpulsanschluß 46, an den die Torimpulse 48, Fig. IA, angelegt sind. Die Zelle 14 enthält außerdem eine Diode 50, einen NPN-Transistor 42 und eine parasitäre Kapazität 54, die mit dem Anschlußpunkt 40 verbunden sind. Die Dioden 20 und 50 können in monolithischer Technik als PN-Übergänge oder als Schottky-Barrier-Dioden ausgeführt sein.

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Ein Schieberegister, das aus mehreren Stufen 10 gemäß Fig.l besteht, ist in Fig.2 dargestellt. Die zu verschiebende Eingangsinformation wird an den Anschlußpunkt 60 angelegt und dynamisch von Stufe zu Stufe bis zum Ausgangsanschlußpunkt 62 verschoben. Es ist selbstverständlich auch möglich, andere Zusammenschaltungen der Stufen gemäß Fig.Ivorzunehmen, um andere Schieberegister oder umlaufregister zu erhalten. So kann z.B. das Ausgangsignal am Ausgangsanschlußpunkt 62 auf den Eingang 60 als Eingangssignal zurückgekoppelt werden, wodurch ein Umlaufregister entsteht.

Die Regenerationsimpulse werden der ersten Zelle einer jeden Stufe 10 über die Änschlußpmkte ^ς4 zugeführt, wie es vorher im Zusammenhang mit den Regenerationsimpulsen 18 beschrieben wurde. Die Regenerationsimpulse für die zweite Zelle 14 einer Stufe IO werden über den Anschlußpunkt 46 zugeführt. Die Anschlußpunkte 68 und 70 empfangen die bereits schon beschriebenen Torsignale 32 und 48.

Dabei können die Impulse 18 und 32 von einer einzigen Signalquelle geliefert werden. So können z.B. die Anschlußpunkte 16 und 30 mit einer 2-Phasen-Rechteckimpulsquelle verbunden sein. Dies hat vor allem Vorteile in der Leitungsführung für die Anschlußpunkte 16 und Selbstverständlich können auch die Impulse 18 und 32 sowohl nacheinander als überlappt dem Schieberegister zugeführt werden, was je nach gewünschtem Effekt erfolgen kann.

Im folgenden soll nun die Wirkungsweise einer Stufe 10 nach Fig.l und damit auch die Wirkungsweise des Schieberegisters nach Fig.2 erklärt werden.

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Zur Zeit t bekommt die erste Zelle einerjeden Stufe Regenerationsimpulse 18 am Anschlußpunkt 16. Jeder Transistor der Zelle ist im Aus-Zustand und der Regenerationsimpuls 18 lädt die Kapazität 24 auf. Zur Zeit t₁ wird nun der Transistor 26 durch ein Datensignal 28 (Fig.IA) erregt. Der Transistor 34 gelangt in den Ein-Zustand und die Kapazität 24 wird dadurch entladen und geht in den Entladezustand. Dadurch wird die am Eingang anstehende Dateninformation über den Transistor 34 zum Ausgangsanschlußpunkt 36 in invertierter Form übertragen.

Zum nächsten Zeitintervall t₃ gelangt an den Anschlußpunkt 42 ein Regenerationsimpuls 44, der die Kapazität 54 der zweiten Zelle 14 der Stufe 10 auflädt. In Abhängigkeit vom Zustand des Eingangssignals an der Basis des Transistors 52 befindet sich das Torsignal am Anschlußpunkt 46 im oberen Zustand oder in der V^™-Bedingung, wodurch der Transistor 52 in den Aus-Zustend versetzt wird. Zum darauffolgenden Zeitpunkt t. wird ein Torsignal 48 an den Anschlußpunkt 46 angelegt, Wenn am Anschlußpunkt 36 der obere Signalpegel vorliegt, wird die Kapazität 54 über den Transistor 52 entladen. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, befindet sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Anschlußpunkt % 36 im unteren Potentialpegel (Impuls 28 invertiert) und die Kapazität 54 wird nicht entladen, weil der Transistor 52 nicht im leitenden Zustand ist. Dadurch befindet sich auch das Potential am Ausgangsanschlußpunkt 40 im oberen Zustand oder Pegel.

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Wie aus Fig.IA zu ersehen ist, erstrecken sich die Regenerationsimpulse 18 und 14 zwischen dem unteren Pegel und dem Wert +V. Die Torimpulse 32 und 48 erstrecken sich zwischen dem Pegel V^₁, und -Vl. Die Datensignale 28 erstrecken sich vom untern Pegel des Signals V2 bis zum oberen Pegel des Signals V3. Im nachfolgenden werden spezifisch ausgewählte Beziehungen der einzelnen Spannungen in einer Tabelle angegeben.

^+V"^VREF < ^2VBE

^V3"^VREF < ^1VBE
V2-(-Vl) < 1V_BE,

Die erste Beziehung ist erforderlich, um zu verhindern, daß der Transistor 52 der zweiten Zelle nicht eingeschaltet wird, wenn die Kapazität 24 auf den positiven Pegel aufgeladen ist. Die zweite und dritte angegebene Beziehung muß deshalb eingehalten werden, um zu verhindern, daß der Transistor 34 nicht leitend wird und die Kapazität 24 sich nicht über diesen Transistor entlädt, ohne daß das anliegende Datensignal 28 während der Tor-Periode im oberen Pegel ist.

Die Spannung V™™ kann z.B. auf 0 Volt oder in anderen Fällen mit Vorteil auf einen positiven Pegel festgelegt werden.

In Fig.IB ist ein Diagramm dargestellt, das die Spannungsbedingungen über der parasitären Kapazität zeigt und zwar beim ersten Laden durch einen Regenerationsimpuls und dann beim Entladen über einen entsprechenden zugehörigen leitenden Transistor. Diese Spannungscharakteristik existiert dann, wenn das Eingangssignal den oberen

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Pegel einnimmt. Nimmt dagegen das angelegte Datensignal den unteren Pegel ein, dann befindet sich der entsprechende Transistor in dem nichtleitenden Zustand und die Spannung über der parasitären Kapazität wird dann langsam abgesenkt, wie es durch die gestrichelte Linie 78 zu sehen ist. Die gestrichelten Linien 80 und 82 zeigen ebenfalls die Spannungsbedingungen über einer parasitären Kapazität, wenn die Datenimpulse sich im unteren Pegel befinden, d.h. wenn die entsprechenden Transistoren keinen Entladungsweg für die schädliche Kapazität ermöglichen. Die verschiedenen Abfälle der Kurven 80 und 82 ergeben sich aus der Verschiedenheit der anliegenden Referenzspannung V„„„, und zwar entspricht die Kurve 82 einer

Kür

größeren positiven Referenzspannung V_R „ als die Kurve Im vorliegenden Beispiel ist der Zellentransistor effektiver gesperrt, wenn der Emitter mehr positiv vorgespannt ist, wodurch über die Basis-Emitterdiode des Transistors eine Verringerung der Entladung erreicht wird.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   (j. I Dynamisches Schieberegister mit Speicherstufen aus bipolaren Transistoren, unter Ausnutzung von vorhandenen Kapazitäten zur Zwischenspeicherung, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherstufen (1O) aus einer ersten Speicherzelle (12) und einer zweiten Speicherzelle (14) besteht, wobei sowohl die erste als auch die zweite Speicherzelle (12 bzw. 14) aus einer Reihenschaltung einer Diode (20) und einem Transistor (34) und einer parasitären Kapazität (24) zwischen dem" Kollektor (22) des genannten bipolaren Transistors (34) und Masse besteht.

   2. Dynamisches Schieberegister nach Anspruch 1, dadurch geknnzeichnet, daß an der Basis des Transistors (34) die Dateneingangsimpulse (28) anliegen und am Emitter über einen Anschlußpunkt (30) die Torimpulse anliegen, währenddem über die Diode (2OK die mit einem Anschlußpunkt (16) in Verbindung steht, der Speicherzelle (12) Regenerationsimpulse (18) zum Laden der parasitären Kapazität (24) zugeführt werden, und daß der Ausgang (36) der Speicherzelle (12) sowohl mit dem Kollektor (22) des Transistors (34), mit einer Elektrode der Diode (20) als auch mit der parasitären Kapazität (24) verbunden ist.

   3. Dynamisches Schieberegister nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des Transistors (34) der ersten Zelle (12) mit der Basis des Transistors der zweiten Zelle (14) verbunden ist.

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   4. Dynamisches Schieberegister nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Zellen' (12 und 14) einer Stufe (10) über getrennte Anschlüsse (64 und 66) Regenerationsimpulse und über weitere getrennte Anschlüsse (68 und 70) die Torimpulse bzw. Schiebeimpulse (32 bzw. 48) zugeführt werden.

   5. Dynamisches Schieberegister nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet/ daß jeweils der Ausgang (40) einer Stufe (10) mit dem Eingang (26) % der nächsten Stufe (10) direkt verbunden ist und daß alle ersten Zellen (12) sowohl mit Tor- bzw. Schiebeimpulsen als auch mit Regenerationsimpulsen über gemeinsame Anschlußpunkte (68 bzw. 64) gespeist werden und daß die zweiten Zellen (14) der Stufen (10) ebenfalls über gemeinsame Anschlußpunkte (66 bzw. 70) mit Tor- bzw. Schiebeimpulsen und Regenerationsimpulsen gespeist werden.

   6. Dynamisches Schieberegister nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren

   (34) einer Zelle (12 oder 14) vom PNP-Typ oder λ

   vom NPN-Typ sind.

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