DE2339289B1

DE2339289B1 - Bistabile Kippstufe mit MNOS-Transistoren

Info

Publication number: DE2339289B1
Application number: DE19732339289
Authority: DE
Inventors: Karlheinrich Dipl.Ing. 8035 Gauting Horninger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-08-02
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1974-06-27
Also published as: DE2339289C2; JPS5046066A; BE818440A; FR2239816B1; FR2239816A1; NL7409820A; LU70636A1; CA1020637A; GB1482114A; IT1017667B

Description

ίο Die Erfindung bezieht sich auf eine bistabile Kippstufe mit wenigstens zwei rückgekoppelten, invertierenden Verstärkerstufen und mit zwei Anschlüssen zum Anlegen der Versorgungsspannung, wobei jeweils eine Verstärkerstufe aus einem Feldeffekt-Transistor und einem Lastelement besteht, und bei der ein Ausgangsanschluß mit einem Flip-Flop-Knoten der einen Verstärkerstufe verbunden ist.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1803 175 ist eine bistabile Kippstufe dieser Art, die aus MIS-Transistoren aufgebaut ist, bekannt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Flip-Flop mit wenigstens zwei rückgekoppelten, invertierenden Verstärkerstufen und mit zwei Anschlüssen zum Anlegen der Versorgungsspannung. Dabei besteht jeweils eine Verstärkerstufe aus jeweils einem Feldeffekt-Transistor und einem Lastelement. Außerdem ist der Ausgangsanschluß der Kippstufe mit einem Flip-Flop-Knoten einer Verstärkerstufe verbunden.

Ein Nachteil einer solchen Kippstufe besteht darin, daß nach einem Ausfall der Versorgungsspannung die gespeicherte Information verlorengeht. Dies bedeutet, daß die Kippstufe nach dem erneuten Einschalten der Versorgungsspannung eine durch die Herstellung der Kippstufe bevorzugte Lage einnimmt.

Bistabile Kippstufen mit MNOS-Speichertransistoren sind ebenfalls bekannt. Die MNOS-Speichertransistoren werden deshalb in der Verbindung mit bistabilen Kippschaltungen verwendet, damit der elektrische Zustand der bistabilen Kippstufe gespeichert und, nach längerer Zeit, auch nach Ausfall der Versorgungsspannung wieder eingegeben werden kann. Mit derartigen Kippstufen können Schieberegister und Zähler aufgebaut werden.

Beispielsweise sind bistabile Kippschaltungen bekanntgeworden, bei denen die MNOS-Speichertransistoren gleichzeitig als Lasttransistoren des Flip-Flops der Kippstufe dienen. In der Veröffentlichung Dov Frohmann-Beutchkowsky »The metalnitride-oxide-silicon (MNOS) transistor characteristics and applications«, Proceedings of the IEEE, Vol. 5S, No. 8, August 1970, Seiten 1207 bis 1219, ist eine solche Kippschaltung beschrieben. Dabei muß im Betrieb der durch die MNOS-Speichertransistoren hervorgerufene unsymmetrische Zustand der Kippstufe, der durch die unterschiedlichen Einsatzspannungen der MNOS-Transistoren und der Feldeffekt-Transistoren der Verstärkerstufen entsteht, überspielt werden. Dazu sind relativ hohe Betriebsspannungen notwendig.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine bistabile Kippstufe mit MNOS-Speichertransistoren anzugeben, bei der keine relativ hohen Betriebsspannungen benötigt werden.

Diese Aufgabe wird durch eine wie eingangs erwähnte bistabile Kippstufe gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß je ein Flip-Flop-Zweig durch je ein elektronisches Schaltmittel auftrennbar ist, daß parallel zu je einem Lastelement

ORIGINAL INSPECTED

je ein MNOS-Transistor angeordnet ist, wobei die Gateanschlüsse dieser MNOS-Transistoren miteinander verbunden sind und über einen gemeinsamen Anschluß ansteuerbar sind, und daß der Eingangsanschluß der Kippstufe mit dem Gate eines Transistors der anderen Verstärkerstufe verbunden ist.

Ein Vorteil einer erfindungsgemäßen bistabilen Kippschaltung besteht darin, daß die MNOS-Speichertransistoren durch eine geeignete Spannung ganz gesperrt werden können, so daß sie den Betrieb der Kippstufe nicht stören.

Vorteilhafterweise ist der Informationsabbau in den einzelnen MNOS-Transistoren, wenn sie abgeschaltet sind, praktisch vernachlässigbar klein. Bei den bistabilen Kippschaltungen mit MNOS-Transistoren des Standes der Technik, bei denen MNOS-Speichertransistoren als Lastelement verwendet werden, wird dagegen die gespeicherte Information durch die laufenden Schaltvorgänge verhältnismäßig schnell abgebaut.

Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Kippschaltung besteht darin, daß der Löschimpuls zu einem beliebigen Zeitpunkt auf die Schaltungen gegeben werden kann, da dabei die Funktion der Kippstufe nicht beeinflußt wird.

Weitere Erläuterungen zur Erfindung und zu deren Ausgestaltungen gehen aus der Beschreibung und den Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele hervor.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild einer erfindungsgemäßen bistabilen Kippstufe;

Fi g. 2 zeigt die während des Betriebes einer erfindungsgemäßen Kippstufe an dem Anschluß 16 auftretenden Potentiale.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße bistabile Kippstufe mit MNOS-Transistoren dargestellt. Dabei besteht diese Kippstufe im wesentlichen aus einem Flip-Flop und den MNOS-Transistoren 8 und 9. Das Flip-Flop besteht aus den beiden Schalttransistoren 1 und 2 und den Lastwiderständen 3 und 4. Vorzugsweise werden als Schalttransistoren Feldeffekt-Transistoren verwendet. Die Lastwiderstände 3 und 4 sind vorzugsweise ebenfalls Feldeffekt-Transistoren, wobei die Gateanschlüsse dieser Transistoren mit dem Anschluß 13 des Flip-Flops verbunden sind. Die Source-Elektroden der beiden Feldeffekt-Transistoren 3 und 4 sind ebenfalls mit dem Anschluß 13 verbunden. In je einem Flip-Flop-Zweig des Flip-Flops ist je ein elektronischer Schalter 5 bzw. 6 angeordnet. Vorzugsweise werden als solche elektronische Schalter Feldeffekt-Transistoren verwendet. Mit Hilfe dieser Feldeffekt-Transistoren 5 bzw. 6 sind die einzelnen Flip-Flop-Zweige auftrennbar. Je ein Feldeffekt-Transistor 5 bzw. 6 ist über je einen Gateanschluß 51 bzw. 61 ansteuerbar. Die Anschlüsse 13 und 14 des Flip-Flops dienen zum Anlegen der Versorgungsspannung. Vorzugsweise liegt dabei der Anschluß 14 an Masse.

Erfindungsgemäß sind nun parallel zu den als Lastwiderständen dienenden Feldeffekt-Transistoren 3 bzw. 4 die MNOS-Transistoren 8 bzw. 9 angeordnet. Dabei ist das Drain-Gebiet des Transistors 8 mit dem Knoten 11 des Flip-Flops und das Drain-Gebiet des Transistors 9 mit dem Knoten 12 des Flip-Flops verbunden. Die beiden Source-Gebiete der Transistoren 8 und 9 sind mit dem Anschluß 13 verbunden. g_s Über den Anschluß 16, mit dem beide Gateanschlüsse der Transistoren 8 und 9 verbunden sind, sind diese Transistoren ansteuerbar. Als Eingang der erfindungsgemäßen Kippstufe dient der Anschluß 10, der vorzugsweise über den Feldeffekt-Transistor 7 mit dem Gateanschluß des Schalttransistors einer Verstärkerstufe verbunden ist. In dem Ausführungsbeispiel der Fi g. 1 ist dies der Schalttransistor 1 mit seinem Gateanschluß 17. Der Transistor 7 ist dabei über den Gateanschluß 71 steuerbar. Als Ausgang der bistabilen Kippstufe dient der Anschluß 15, der mit dem Knoten der anderen Verstärkerstufe verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel der Fi g. 1 ist dies der Knoten 12.

Im folgenden oll nun die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen bistabilen Kippstufe beschrieben werden. Über den Transistor 7 wird die Information in die bistabile Kippstufe eingelesen. Es soll nun zunächst angenommen werden, daß sich die Kippstufe in einer stabilen Lage befindet. Zum Beispiel soll der Knoten 11 an 0 V und der Knoten 12 an der Versorgungsspannung U_DD liegen. Die Einsatzspannung der beiden MNOS-Transistoren 8 und 9 wird mit U₇₀ bezeichnet. Soll nun die Versorgungsspannung U_DD abgeschaltet oder die Information gespeichert werden, so werden vorher die Transistoren 5 und 6 über ihre Anschlüsse 51 bzw. 61 gesperrt und gleichzeitig wird über den Anschluß 16 an die Gateanschlüsse der MNOS-Transistoren 8 und 9 ein hoher negativer Impuls angelegt. Dies hat zur Folge, daß sich, unter der Annahme, daß die MNOS-Transistoren p-Kanal-Transistoren sind, am Gate dieser Transistoren eine Inversionsrandschicht unter dem Gateisolator ausbildet, welche die Source- und Draingebiete der Transistoren miteinander verbinden. Dies hat zur Folge, daß die Transistoren 8 und 9 leitend sind. Am Source-Anschluß des Transistors 8 liegt, wie bereits oben gesagt, ein Potential von 0 V. Die Inversionsschicht dieses Transistors liegt daher fast auf dem Potential 0. Dies hat zur Folge, daß am Gateisolator der volle Impuls anliegt und die Einsatzspannung des Transistors 8 auf den Wert U₇₁ verschoben wird, wobei der absolute Wert von U₇₁ größer als der Wert von U_n ist. Bei dem Transistor 9 liegen sowohl der Drain- als auch der Source-Anschluß an dem Potential U_DD, was der Versorgungsspannung entspricht. Am Gateisolator liegt daher nur mehr eine Spannung von U_P bis U_DD an, die nicht ausreicht, um die Einsatzspannung des Transistors zu verschieben.

Nach dem Wiedereinschalten der Versorgungsspannung muß die Information von den MNOS-Speichertransistoren in die bistabile Kippstufe eingelesen werden. Zunächst werden die Transistoren 5 und 6, die in den Flip-Flop-Zweigen angeordnet sind, über ihre Anschlüsse 51 bzw. 61 so gesteuert, daß sie leitend sind. Weiterhin wird an den Anschluß 16 ein Leseimpuls — U_L angelegt. Mit der Spannung — U_L an seinem Gateanschluß wird der Transistor 9 leitend. Der Transistor 8 sperrt dagegen. Dadurch liegt nach dem Einschalten der Versorgungsspannung an dem Gate des Schalttransistors 1 über die beiden leitenden Transistoren 9 und 6 die Versorgungsspannung U_DD an. Somit leitet der Transistor 1 und zieht den Knoten 11 wieder gegen das Potential 0. An dem Knoten 12 bleibt die Versorgungsspannung U_DD erhalten, da über den leitenden Transistor 5 das Potential 0 V am Gate des Schalttransistors 2 liegt und dieser daher sperrt. Die Kippstufe hat also ihre ursprüngliche Lage auf diese Weise wieder eingenommen.

Um beim nächsten Spannungsausfall oder bei der nächsten Informationsspeicherung den vorhin erläu-

terten Vorgang wieder durchführen zu können, müssen die MNOS-Transistoren 8 und 9 beide so angesteuert werden, daß sie ihre ursprüngliche Einsatzspannung U_n besitzen. Dies geschieht vorzugsweise durch Anlegen eines positiven Impulses U_P an den Anschluß 16 der Kippstufe. Dieser Impuls stört den Funktionsablauf der bistabilen Kippstufe nicht, da die Transistoren 8 und 9 durch die positive Gatespannung gesperrt werden. Der Löschvorgang für die MNOS-Speichertransistoren 8 und 9 kann daher vorteilhafterweise zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, was bei den bis jetzt aus der Literatur bekanntgewordenen Schaltungen nicht der Fall ist.

In der Fi g. 2 sind die an dem Anschluß 16 der erfindungsgemäßen Kippstufe aufeinanderfolgend auftretenden Potentiale O V, — U_p, — U_L, O V und + U_p dargestellt.

Da während des Betriebes normalerweise bei erfindungsgemäßen bistabilen Kippstufen an dem Gate der MNOS-Transistoren 8 bzw. 9 die Spannung anliegt, ist der Abbau der Information in diesen Elementen vorteilhafterweise sehr gering.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bistabile Kippstufe mit wenigstens zwei rückgekoppelten, invertierenden Verstärkerstufen und mit zwei Anschlüssen zum Anlegen der Versorgungsspannung, wobei jeweils eine Verstärkerstufe aus einem Feldeffekt-Transistor und einem Lastelement besteht, und bei der ein Ausgangsanschluß mit einem Flip-Flop-Knoten der einen Verstärkerstufe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Flip-Flop-Zweig durch je ein elektronisches Schaltmittel (5,6) auftrennbar ist, daß parallel zu je einem Lastelement (3 bzw. 4) je ein MNOS-Transistor (8 bzw. 9) angeordnet ist, wobei die Gateanschlüsse dieser MNOS-Transistoren miteinander verbunden sind und über einen gemeinsamen Anschluß (16) ansteuerbar sind, und daß der Eingangsanschluß (10) der Kippstufe mit dem Gate (17) eines Transistors (1) der anderen Verstärkerstufe verbunden ist.

2. Bistabile Kippstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsanschluß durch einen Transistor (17) elektrisch auftrennbar ist.

3. Bistabile Kippstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastelemente (3, 4) Feldeffekt-Transistoren sind, wobei die Gateanschlüsse und die Sourceanschlüsse dieser Transistoren mit dem Anschluß (13) des Flip-Flops verbunden sind.

4. Bistabile Kippstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (1,2,5,6,7) Feldeffekt-Transistoren sind.

5. Verfahren zum Betrieb einer bistabilen Kippstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über den Transistor (7), der über seinen Gateanschluß (21) leitend geschaltet wird, eingelesen wird, daß zum Abspeichern der Information in den MNOS-Transistoren (8, 9) die Transistoren (5, 6) über ihre Gateanschlüsse (51 bzw. 61) gesperrt werden, daß gleichzeitig bei der Verwendung von p-Kanal-MNOS-Transistoren über den Anschluß (16) an die Gateanschlüsse dieser Transistoren ein hoher negativer Impuls angelegt wird, wodurch die Einsatzspannung des MNOS-Transistors, dessen Source-Anschluß mit dem Knoten des Flip-Flops verbunden ist, an dem die geringere Spannung anliegt, vergrößert wird, und wodurch die Einsatzspannung des MNOS-Transistors, der mit dein Knoten des Flip-Flops verbunden ist, an dem die höhere Spannung anliegt, erhalten bleibt, daß beim Wiedereinschalten der Versorgungsspannung die Transistoren (5, 6) über ihre Anschlüsse (51,61) leitend geschaltet werden, daß zum Einlesen der in den MNOS-Transistoren abgespeicherten Information in die Kippstufe an den Anschluß (16) und somit an die Gateanschlüsse der MNOS-Transistoren (8, 9) eine negative Spannung angelegt wird, die bewirkt, daß der MNOS-Transistor (9) mit der kleineren Einsatzspannung leitend wird, und die Versorgungsspannung über den leitenden Transistor (6) und über den Flip-Flop-Zweig, in dem dieser Transistor angeordnet ist, an den entsprechenden Schalttransistor (1) anlegt, wodurch dieser leitend wird und über den anderen Flip-Flop-Zweig das Potential 0 V an den Gateanschluß des Schalttransistors (2) des anderen Flip-Flop-Zweiges anlegt, wodurch dieser gesperrt wird.