DE2315201A1 - Flip-flop-schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flip-Flop-Schaltung,insbesondere ein statisches Flip-Flop mit Feldeffekttransistoren.

Aus Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate aufgebaute Flip-Flops werden in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in dynamische und statische Flip-Flops. Obwohl das erstere einfacher aufgebaut ist, ist. das letztere in manchen Fällen wegen des besseren Speichervermögens der Information vorzuziehen.

Fig. 1 der beigefügten Zeichnung zeigt ein Beispiel eines allgemein verwendeten dynamischen Flip-Flops. Es enthält Feldeffekttransistoren 1 bis 6 mit isoliertem Gate, die im folgenden kurz als Transistoren bezeichnet werden. Der Transistor T* ist über den Transistor T« zwischen eine die Speisespannung (-Vjjjj) führende Klemme und Masse geschaltet. Sein Gate ist über den Transistor T~ an eine Eingangsklemme IN angeschlossen.

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Dem Transistor T, wird ein Taktsignal φ* als Eingangssignal zugeführt. Der Transistor T^ ist über den Transistor T₁-zwischen die Versorgungsspannung -V^₀ und Masse geschaltet. Der Transistor Tg ist zwischen das Gate des Transistor T^ und den Verbindungspunkt zwischen den Transistoren T₁ und Τ« geschaltet. Er empfängt ein Taktsignal φ^ als Eingangssignal. An den Verbindungspunkt zwischen den Transistoren Tr und Tc ist eine Ausgangsklemrae OUT angeschlossen.

Bei diesem Schaltungsaufbau wird die Impulsfrequenz der Taktsignale φ* und φ ^ die den Feldeffekttransistoren T-, und Tg als Übertragungsgattern . zugeführt werden, durch die Zeitkonstante zwischen der Gatekapazität und dem Leckwiderstand des einzelnen Transistors bestimmt. Die Frequenz muß einen bestimmten vorgeschriebenen Wert überschreiten. Als Taktsignale φ* und φ^ werden normalerweise sich regelmäßig wiederholende Impulse verwendet. Steuersignale mit zahnlosen Teilen können nicht verwendet werden»

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines aus Feldeffekttransistoren bestehenden statischen Flip-Flops.

Das Flip-Flop enthält eine aus Transistoren T₁₁ und T₁₂ bestehende erste Umkehrstufe, eine aus Transistoren T₁^ und bestehencfe" zweite Umkehrstuf e, eine aus Transistoren T₁- und T..g bestehende dritte Umkehrstufe und Transistoren T₁ „ , ^T^ und T₁Q als Übertragungsgatter. Di® zweite und dritte Umkehrstufe sind in Kaskade geschaltet. Die Ausgangsklemme der dritten Umkehrstufe ist über den Übertragungsgattertransistor T_{1 s} zum Eingang der zweiten Umkehrstufe rückgekoppelt. Ein© Information wird in der Rückkppplungsschleife gespeichert. Der Inhalt der in der Rückkopplungsschleife gehaltenen Information ist abhängig vom Zustand des Ausgangssignals d@r ersten Umkehrstufe zu der Zeit, zu der der Übertragungsgattertransistor T^„ leitend wird. Den. Gates der Transistoren T₁₈ und T«.g wird ein Takt-

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signal φ~ ^{und dem Ga-te des} Transistors T ein Taktsteuersignal jL zugeführt, das gegenüber dem Taktsignal phasenverschoben ist.

Die Drains der Belastungstransistoren T₁₂, T-ia ^¹^ T-ig werden mit einer Gleichspannung V_DD gespeist. Den zugehörigen Gates wird eine Gleichspannung V_QG zugeführt, die höher ist als die Speisespannung V-.™ und zwar etwa um die Schwellenspannung der Transistoren.

Die den Gates der Übertragungsgattertransistoren T₁₇, T^₈ und T₁Q"zugeführten Spannungen müssen wegen des bekannten Substrat effektes hohe Vierte wie bei den Belastungstransistoren T^₂, T^ und T.,g haben (beispielsweise die gMche Höhe wie die Speisegleichspannung V_GG). Der Substrateffekt wirkt sich derart aus, daß, falls die Substrate der Jeweiligen Transistoren gemeinsam mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden sind (beispielsweise besitzen in einer integrierten Halbleiterschaltung die jeweiligen Transistoren ein gemeinsPTne? Halbleitersubstrat), sich die Spannungen zwischen den Sources der Transistoren und deren Substraten beeinflussen.Es wird daher ein Taktsignal φ _? mit hoher Spannung erzeugt, beispielsweise mittels eines astabilen, außerhalb der integrierten Halbleiterschaltung angeordneten Multivibrators.

Andererseits wird das Taktsteuersignal fL derart erzeugt, daß eine Logikschaltung zwischen das Taktsignal φ* (in der Schaltung der Fig. 1 nicht verwendet), das auf ähnliche Weise durch einen astabilen Multivibrator oder dergleichen mit hoher Spannung erzeugt wird und gegenüber dem Taktsiganl ^₂ phasenverschoben ist, und ein anderes Impulssignal, geschaltet wird« Die logische Schaltung wird in der gleichen Weise wie das Flip-Flop in der integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet, in der auch das Flip-Flop ausgebildet wird. Das Ausgangspptential des Taktsteuersignals wird im wesentlichen auf das

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gleiche Potential abgesenkt wie die Speise-Gleichspannung V™-)· Im allgemeinen wird daher in einer außerhalb der integrierten Halbleiterschaltung angeordneten Schaltung eine Pegeltransformation durchgeführt, um das Ausgangspotential anzuheben. Auf diese Weise entsteht ein Taktsteuersignal mit hohem Pegel. Es ist auch möglich, den-Ausgangspegel der logischen Schaltung durch eine v/eitere Spannungsquelle in der identischen integrierten Halbleiterschaltung vorzusehen. In jedem Fall ist es jedoch unvermeidbar, die Anzahl der äußeren Anschlüsse der integrierten Halbleiterschaltung zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Flip-Flop zu schaffen, bei dem die Ein- oder Ausgabesteuerung für eine Information mit einem Steuersignal mit niedrigem Pegel durchgeführt werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen statischen Flip-Flop ist eine Eingangs- bzw. Ausgangsklemme der ersten Umkehrstufe auf einen Eingang und einen Ausgang der zweiten Umkehrstufe rückgekoppelt. Einem Eingang eines in Reihe zwischen den Eingang der ersten Umkehrstufe und Masse geschalteten Feldeffekttransistors und einem Eingang eines in Reihe zwischen den Eingang der zweiten Umkehrstufe und Masse geschalteten Transistors werden jeweils komplementäre Eingangssignale zugeführt. Das erste Impulssignal wird einem Feldeffekttransistor zugeführt, der zwischen einen Ausgang des Flip-Flops und den Ausgang der ersten und zweiten Umkehrstufe geschaltet ist. Das zweite, gegenüber dem ersten phasenverschobene Impulssignal wird einem Eingang des anderen der Feldeffekttransistoren zugeführt, der an den Eingang der ersten Umkehrstufe angeschlossen ist, und einem Eingang des anderen der Feldeffekttransistoren, der an den Eingang der zweiten Umkehrstufe angeschlossen ist.

Anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher er-

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läutert. Es zeigen: 2 3 f 5 2 O 1

Fig. 1 (bereits erwähnt) das Schaltbild des bekannten dynamischen

Flip-Flops;

Fig. 2 (bereits erwähnt) das Schaltbild des bekannten statischen

Flip-Flops j

Fig. 3 das Schaltbild eines Ausführungsbei

spiels des erfindungsgemäßen Flip-Flops } und

Fig. 4 ein Impulsdiagramm der Schaltungen der

Figuren 1 bis 3.

Das in Fig. 3 gezeigte bevorzugte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flip-Flops enthält eine Eingangsklemme IN_-., der ein Eingangssignal zugeführt wird, eine Eingangsklemme IN₂, der ein Steuersignal φ._χ (Fig. 4c) zugeführt wird, und eine Eingangsklemme IN,, der ein Taktsignal ^₂ (Fig.4a) zugeführt wird, das gegenüber dem Steuersignal jL phasenverschoben ist. Das Gate eines Transistors T₂Q ist an den Eingang BL angeschlossen. Er ist zwischen eine Spannungsquelle (-V^) und Masse geschaltet, und zwar über einen Transistor T₂₁, dessen Gate an eine Spannungsquelle (-Vq_G) angeschlossen ist. Das Gate eines Transistors T₂₂ ist an den Eingang IN₂ angeschlossen. Einer seiner Ausgänge ist mit Masse verbunden. Das Gate eines Transistors T₂* ist an den Verbindungspunkt zwischen den Transistoren T₂₀ und T₂₁ angeschlossen. Einer seiner Ausgänge ist mit dem anderen Ausgang des Transistors T₂₂ verbunden. Das Gate eines Transistors T₂^ ist an die Spannungsquelle -Vqq angeschlossen. Er ist zwischen den anderen Ausgang des Transistors ^T23 "¹^ ^{die s}P^annun6^s<l^ue^^e ""^DD S^escilSL^^e^ · J© eine Ausgangsklemrae der Transistoren T₂e und T₂g ist mit Masse verbunden. Die beiden Transistoren sind aufeinander rückgekoppelt. Demgemäß ist der andere Ausgang der Transistoren T₂,- und T₂g jeweils mit dem Gate des anderen Transistors T_oC bzw. T_OK ver-

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bunden. Das Gate eines Transistors T₂^ ist mit der Spannungs-. quelle -Vqq verbunden und zwischen den anderen Ausgang des

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Transistors T₂^ und die Spannungsquelle -Vj)_D geschaltet. Das • Gate eines Transistors Tg₈ ist mit der Eingangsklemme IN₂ verbunden. Einer seiner Ausgänge liegt an Masse. Das Gate eines Transistors Tpq ^^s^ ^an ^^e Eingangsklemme IN> angeschlossen. Er ist zwischen das Gate des Transistors T₂,- und "den anderen Ausgang des Transistors T₂₈ geschaltet. Das Gate eines Transistors T,_Q ist an den Eingang IN^ angeschlossen. Der Transistor T,q liegt zwischen dem Verbindungspunkt der anderen Ausgänge der Transistoren T₂^ und T₂^ und der Ausgangsklemme OUT.

Für die Transistoren T₂₀ bis T^₀ werden Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate verwendet. Die Transistoren T₂.., T₂^ und T₂« dienen jeweils als Belastungen. Die Transistoren T₂^ und sowie die Transistoren T^c und T₂₇ bilden die erste bzw.

zweite Umkehrstufe. Den Transistoren T₂^ und T₂Q werden komplementäre EingangsSignaIe zugeführt, um zu verhindern, daß beide Transistoren leitend werden und der Zustand des Flip-Flops unbestimmt wird. Di© Periode der Taktimpulse ^₂ wird bestimmt durch die Zeitkonstante zwischen der Gatekapaxität C der nächsten, mit der Ausgangsklemme OUT zu verbindenden Stufe, den Leckwiderstand des Transistors T^g usw. In diesem Fall kann das Steuersignal jL ■ einen die Sclwellenspannung V^j₁ etwas überschreitenden Spannungspegel haben (V^j₁-< ^qq)· Daher kann das Steuersignal ^L beispielsweise die gleiche Höhe haben wie der Pegel des Eingangssignals.

Die Transistoren sind beispielsweise in einer integrierten Halbleiterschaltung ausgeführt, deren Substrat an Masse liegt.

Wenn bei diesem Aufbau die Transistoren T₂₂ ^®& T₂₈ durch das Steuersignal φ* durchgeschaltet werden, wird durch das der Eingangsklemme IN^ zugeführte Eingangssignal eine neue In formation eingeschrieben. Die Information wird durch die Rück kopplungsschaltung der Transistoren Τ«_Λ bis T₀₁₇ statisch ge-

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speichert.

Wenn -dabei je ein Ausgang der Transistoren T₂₂ und T₂₈, denen das Steuersignal φ. zugeführt wird, an Masse liegt, so werden die Source und das Substrab auf dem gleichen Potential gehalten. Auf diese Weise wird der oben beschriebene Substrateffekt ver-

.mieden. Die Transistoren T₀₀ und T_OQ können durch das auf derail C.O

niedrigen Spannung liegende Steuersignal φ* zuverlässig gespeist werden.

Bei dein hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zwar das Steuersignal $L der Eingangsklemme IN₉ zugeführt, die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Beispielsweise kann ein Taktsignal φ* zugeführt werden, das gemäß Fig. 4b gegenüber den Taktimpulsen ^₂ phasenverschoben ist.und eine regelmäßige Triggerung bewirkt.

Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zwar das Ausgangssi^n?"! über den Transistor T^q von der Ausgangsklemme der ersten Umkehrstufe abgegriffen, nämlich vom Verbindungspunkt zwischen den Transistoren T₂^ und T₂₁-. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Das Ausgangssignal kann auch über den Transistor T,_Q vom Ausgang der zweiten Umkehrstufe, nämlich vom Verbindungspunkt zwischen den Transistoren und To₇ abgegriffen.werden.

Die Transistoren T und T₂, und die Transistoren T₂₈ und können innerhalb du Rahmens der Erfindung auch abweichend von der in Fig. 3 gezeigten Schaltung verbunden werden. Auch können die Transistoren T₂₂ und T₂, bzw. T₂₈ und T₂g mit jeweils umgekehrten Stellungen geschaltet werden." D.h.,. die komplementären Eingangssignale können auch den Transistoren T₂₂ und T₂₈ zugeführt werden, während das Steuersignal φ^_χ den Transistoren T₂, und T₂Q zugeführt wird. In diesem Fall brauchen die Transistoren auf der Lastseite nicht durchge-

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schaltet zu werden, wenn die auf Masseseite liegenden Transistoren nichtleitend sind. Leiten die auf Masseseite liegenden Transistoren, so kommen die Sources der Transistoren auf der Lastseite, auf ein Potential, das etwa gleich Massepotential ist. In jedem Fall macht sich der Substrateffekt nicht bemerkbar.

Wie oben beschrieben, wird mit der erfindungsgemäßen Flip-Flop-Schaltung auch für die Transistoren, denen das Steuersignal zugeführt wird, der Substrateffekt vermieden. Die erfindungsgemäße Schaltung hat daher den Vorteil, daß die Steuerung der Ein- und Ausgabe der Information mit einem Steuersignal mit niedrigem Pegel erfolgen kann.

Patentanspruch

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Claims (1)

1. PAT E NTA NSPRUCH,

   Flip-Flop-Schaltung, gekennzeichnet durch eine erste Umkehrstufe (T₂Ai -^25^ ^{aus e}^^nem e^rsten Feldeffekttransistor (Tgc) und einer Belastung (T₂/,.) ^{für den}~ selben, durch eine zweite Umkehrstufe (Τρ^,Τρ«) ^aus zweiten Feldeffekttransistr (T₂g) und einer Belastung desselben, durch einen dritten (Tpx) ^un<^ ^e^^nen vierten Feldeffekttransistor (T₂₂), ^^{e zw}*^scilen einen Eingang der ersten Umkehrstufe und Masse in Reihe geschaltet sind, durch einen fünften (Tpn) und einen sechsten Feldeffekttransistor () die zwischen einem Eingang der zweiten Umkehrstufe und in Reihe geschaltet sind, und durch einen siebten Feldeffekttransistor (T,q), der zwischen eine Ausgangsklemme (OUT) des Flip-Flops und eine Ausgangsklemme der ersten oder zweiten Umkehrstufe geschaltet ist und an seinem Eingang ein zweites Impulssignal (^₂) empfängt, wobei die Eingangs- und Ausgangsklemmen der ersten und zweiten Umkehrstufe rückgekoppelt sind, wobei einem Eingang des dritten (T03) ^0<*^er vierten Feldeffekttransistors (T₂₂) und einem Eingang des fünften (T₂₈) und sechsten Feldeffekttransistors (T₂o) komplementäre Eingangssignale zugeführt werden, und wobei ein erstes Impulssignal, das gegenüber dem zweiten, einem Eingang des vierten oder

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   dritten Feldeffekttransistors und einem Eingang des sechsten oder fünften Feldeffekttransistors zügeführten zweiten Impulssignal phasenverschoben ist.

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