DE2359150A1

DE2359150A1 - Echt-komplement-generator

Info

Publication number: DE2359150A1
Application number: DE2359150A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Michael Donofrio; Junction Vt Essex; Douglas Wayne Kemerer; Jun John Raymond
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-12-29
Filing date: 1973-11-28
Publication date: 1974-07-11
Also published as: IT1001553B; US3764823A; DE2359150C2; CA985748A; JPS4999243A; FR2212700A1; GB1441794A; JPS5426344B2; FR2212700B1

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 972 018

Echt-Kamplement-Genera tor

Die Erfindung betrifft einen Echt-Kompleraent-Generator zur von Taktsignalen gesteuerten Erzeugung eines nichtinvertierten una eines invertierten Ausgangssignals aufgrund eines Eingangssig-· nals .

In der einfachsten Form besteht ein derartiger Echt-I'pir.pleiftent-Generator aus einem Inverter, der den invertierten "ert des Eingangssignal liefert, während der nichtinvertierte Viert durch eine direkte Verbindung des Eingangs mit dem entsprechenden Ausgang geliefert wird. Die zahlreichen veröffentlichten und patentierten Abwandlungen dieser Grundform zeigen, daß sur Lösung neu anstehender Probleme verschiedenste Verbesserungen und Verfeinerung erforderlich sind. Sb ist die bloße Erzeugung des invertierten und nichtinvertierten Ausgangssignals (was gleichbedeutend ist mit der Erzeugung eines gleich- und eines gegenphasi^en oignals) aus einem vorgegebenen Eingangssignal häuf ic· nicht alleine ausreichend ist. Die Forderungen nach erhöhter Geschwindigkeit, reduziertem Leistungsverbrauch und exakter zeitlicher Beziehungen zwischen den einzelnen Signalen in der Schaltung machen es häufig notwendig, neue, verbesserte Schaltungen und Betriebsarten zu entwickeln. Bei der Herstellung der Schaltungen in integrierter Technologie besteht die zusätzliche Forderung, ctaß sich die Schaltung mit minimalem Platzbedarf in einem Halbleiterkörper

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verwirklichen läßt. In der Felder-fekt-TrenoistortechnolGgie ist es zusätzlich wünschenswert, die gesagte Schaltung in Feldeffekt-Transistoren una Kapazitäten zu verwirkliehen und außerdem die Größe der Feldeffekt-Transistoren und die Kapazitätswerte möglichst klein zu halten. Lei Schaltungen mit Feldeffekt-Transistoren müssen außerdem die zu überwindenden Cchweil·.7erte beachtet werden. Da Feldeffekt-Transistoren irr. Gegensatz zu bipolaren Transistoren spannungs ge steuert sina, entstehen bein. Treiben hoher kapazitiver Lasten bei relativ hohen Geschwindigkeiten zusätzliche Probleme . Die bisher bekannten Echt- Konpleitient-Generatoren vereinigen nicht die Eigenschaften in sich, die erforderlich wären ura sämtlichen, vorstehend genannten Bedingungen Rechnung zu tragen.

Es ist aie der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen durch Taktsignale gesteuerten Echt~Koir.pleir,ent~Generator anzugeben, aer sich insbesondere optimal in Feldeffekt-Transistortechnologie verwirklichen läßt und einen minimalen Leistungsverbrauch aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein erster, das invertierte und ein zv/eiter, das nichtinvertierte Ausgangssignal liefernder Schaltungsteil vorgesehen ist, daß die beiden Schaltungsteile über einen durch ein erstes Taktsignal gesteuerten ersten Strorcweg mit dem ersten Anschluß und über einen durch ein gegenphasiges zweites Taktsignal gesteuerten zweiten Stromweg. mit dem zweiten Anschluß der Betriebsspannungsquelle verbunden sind und daß erster und zweiter Schaltungsteil so verbunden sind, daß während der Dauer des ersten Taktsignals von einem Eingangssignal ein invertiertes und ein nichtinvertiertes Ausgangssignal gebildet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

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Die Erfindung wiru in. folgenaen anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1- das Schaltbild eines bevorzugten, erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 ein die Wirkungsweise kennzeichnendes Impuls-Seit··

diagramm.

Der erfindungsgemäße Echt-Koiiplenient-Generator gemäß Fig . 1 ist in M-Känal-Felderfekttechnologie ausgeführt. Der Eingang ist lrit "E" bezeichnet und ist zur. Zwecke der einfacheren Darstellung auf drei Anschlüsse verteilt. Der Ausgang für das echte oder nichtinvertierte Signal ist durch einen Anschluß ^!:C^!! und der Ausgang für das kompleii.entäre oder invertierte Signal ist durch einen Anschluß "O" dargestellt. Die Schaltung ist an einen ersten und an einen zweiten Anschluß der Betriebsspannung angeschlossen. Der erste Anschluß führt die positive Betriebsspannung (+V) und der zweite Anschluß I-lassepotential. Die positive Betriebsspannung +V beträgt .etwa 10 Volt, sie kann jedoch in Abhängigkeit von den je'./eils verwendeten Feldeffekt-Transistoren über einen weiten Bereich andere Uerte annehmen. Ein erste Taktsignal ist r.it Phase 1 oder φΐ una ein zweites Taktsignal nit Phase 2 oder 62 bezeichnet. Die entsprechenden Symbole sind an den Anschlüssen angegeben, an denen diese Signale zugeführt werden. Die beiden Taktsignale haben die Aufgabe, periodisch eine Verbindung der Anschlüsse irdt dem ersten und zweiten Anschluß der Betriebsspannungsquelle herzustellen. Das bedeutet, daß die Potentialdifferenz der Taktsignale zwischen ihren oberen und unteren Pegel etwa von C bis 10 Volt reicht. Der ?Λ r-na.lhuh· des F.inrjanc'ssignal lie^'t in der gleichen Größenordnung. In jeder Fall ruß an die Signalhübe die Forderung gestellt werden, daß sie im oberen Pegel den entsprechenden Feldeffekt-Transistor in den leitenden Zustand bringen.

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Ein erster Schaltungsteil des Echt-Komplement-Generators erzeugt ein komplementäres (invertiertes) Ausgangssignal am Ausgang O und besteht im Prinzip aus einem gesteuerten Inverter. Ein erster Schalttransistor T15 verbindet den Ausgang O mit dem Masseanschluß der Betriebsspannungsquelle. Die Gateelektrode des Transistors T15 liegt am Eingang E. Ein zweiter Schalttransistor Tl3 ist parallel zu Transistor T15 angeordnet, seiner Gateelektrode wird das Taktsignal φ 2 zugeführt. Ein dritter Schalttransistor TIl vervollständigt eine serielle Verbindung zwischen dem ersten (+V) und dem zweiten Anschluß (Masse) der Betriebsspannungsquelle. In diese Serienschaltung sind also die parallel liegenden Schalttransistoren Tl3 und T15 ebenso wie der Schalttransistor TlO eingeschlossen. Der Gateelektrode des Schalttransistors TlO wird das Taktsignal φΐ zugeführt. Dieser Transistor stellt eine periodische Verbindung zum positiven Anschluß +V der Betriebsspannungsquelle her. Eine erste Rtickkopplungskapazität Cl verbindet die Gateelektrode des Transistors TIl mit einer der gesteuerten Elektroden dieses Transistors. Ein Transistor T19 liegt mit seiner Drain-Source-Strecke zwischen Anschluß +V und Gateelektrode des Transistors TIl. Der Transistor T19 hat die Aufgabe, die erste Rückkopplungskapazität Cl aufzuladen. Die Gateelektrode des Transistors T19 liegt am Anschluß für das Taktsignal φ 2. über die Serienschaltung zweier Transistoren T17 und T20 erfolgt die Entladung der Rückkopplungskapazität Cl nach Masse. Die Gateelektrode des Transistors T17 liegt am Eingang I, während die Gateelektrode des Transistors T2O am Anschluß für das Taktsignal φΐ angeschlossen ist.

Der zweite Schaltungsteil des Echt-Komplement-Generators liefert am Ausgang 0 das echte, also nichtinvertierte Ausgangssignal. Dieser Schaltungsteil enthält einen vierten Schalttransistor T14, der den Ausgang O mit Masse verbindet. Die Gateelektrode dieses Transistors ist ebenfalls mit dein Anschluß für das Taktsignal φ2 verbunden. Ein fünfter Schalttransistor T16 ist parallel zu Transsitor T14 angeordnet, wobei die Gateelektrode an den Ausgang Ö geführt ist. Ein sechster Schalttransistor T12 liegt zwi-

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sehen dem Transistor TlO und dem Ausgang 0 und entspricht dem Transistor TIl im ersten Schaltungsteil. Eine zweite Rückkopplungskapazität C2 verbindet die Gate-Elektrode des Transistors T12 mit einer der gesteuerten Elektroden des Transistors T12. Diese Kapazität T2 wird über die Drain-Source-Strecke eines Transistors Tl8 aufgeladen, der zwischen dem Eingang I und der Gateelektrode des Transistors Tl2 angeordnet 1st und dessen Gateelektrode am ersten Anschluß +V der Betriebsspannungsguel.le liegt,

Es ergibt sich folgende Wirkungsweise. Der erste, die Transistoren TIl, T13, T15, T17, T19 und T20 umfassende und das invertierte Ausgangssignal am Ausgang Ö liefernde Schaltungsteil spricht auf die am Eingang I zugeführten Eingangssignale und auf die beiden Taktsignale an. Es sei zunächst angenommen, das Taktsignal φΐ nehme den unteren und das Taktsignal <f>2 den oberen Pegelwert ein. Bei Vorliegen dieser Bedingungen ist Transistor T20 gesperrt und Transistor T13 leitend. Demzufolge befindet sich der Ausgang unabhängig vom gerade anliegenden Eingangssignal auf dem unteren Pegelwert■„ Nimmt man-nun weiter an, das Eingangssignal nehme ebenfalls den oberen Pegelwert an, dann sind auch die Transistoren T15 und T17 leitend. Nimmt auch das Taktsignal φ2 den oberen Pegelwert ein, wird auch Transistor T19 leitend und lädt die Kapazität Cl aufο Die Spannung, auf die die Kapazität Cl aufgeladen wird, liegt infolge des Spannungsabfall am Transistor T19 um einen Schwellwert unterhalb der positiven Betriebsspannung +Vo Diese Spannung liäfert die Bedingung für das Einschalten des Transistors TIl, so daß an Drain und Source dieses Transistors das gleiche Potential vorhanden ist. Es findet jedoch solange kein weiterer Stromfluß statt, bis der Transistor TlO in den leitenden Zustand gebracht wird. Die Wirkungsweise des Transistors TIl in Verbindung mit der Rückkopplungskapazität Cl ist im einzelnen im US-Patent 3 564 290 beschrieben.

Unter der Annahme, daß das Eingangssignal auf dem oberen Pegelwert bleibt, wenn das Taktsignal φ2 abfällt und das Taktsignal φΐ ,auf den oberen Pegelwert ansteigt, bleibt infolge des lei-

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tenden Transistors Tl5 der Ausgang Ö auf dem unteren Pegelwert. Auch die Transistoren Tl7 und T2O leiten, entladen dabei die Kapazität Cl und halten das Potential an der Gatelektrode des Transistors TIl auf dem unteren Pegelwert. Da das Taktsignal φ2 den unteren Pegelwert einnimmt, bleibt Transistor T19 gesperrt. D.h. also, obwohl die Transistoren TlO, T17, T2O und T16 leitend sind, ist zwischen den beiden Anschlüssen der Stromversorgungsquelle kein Gleichstromweg vorhanden.

Es sei nunmehr angenommen, daß das erste Taktsignal φΐ auf den unteren und das zweite Taktsignal φ2 auf den oberen Pegelwert umgeschaltet wird. Dabei ändert sich das Signal am Ausgang O nicht, da es durch den leitenden Transistor Tl3 auf dem unteren Pegelwert gehalten wird. Dieser Zustand ändert sich auch nicht, wenn das Eingangssignal auf den unteren Pegelwert umschaltet, obgleich dadurch die Transistoren T15 und T17 gesperrt werden. Bleibt jedoch das Eingangssignal auf dem unteren Pegelwert und das Taktsignal φΐ wird auf den oberen und das Taktsignal φ2 auf den unteren Pegelwert umgeschaltet, so werden die Transistoren TlO und T20 leitend, während die Transistoren T13 und T19 gesperrt werden. Obgleich der Transistor T20 leitend ist, wird die Kapazität infolge des gesperrten Transistors Tl7 nicht entladen. Demzufolge bleibt die Bedingung für den leitenden Sustand des Transistors TlI erhalten, da der Transistor TlO leitend ist und den Ausgang 0 auf den oberen Pegelwert bringt. Bei ansteigendem Pegelwert am Ausgang δ wird durch die Rückkopplung über die Kapazität Cl an die Gateelektrode des Transistors TIl ein über dem Schwellwert liegendes Potential erzeugt. Der Ausgang- Ö hält den oberen Pegelwert solange sowohl das Eingangssignal als auch das Taktsignal φ2 den unteren Pegelwert einnehmen. Wie auch dem Diagramm der Fig. 2 zu entnehmen ist, wird die Dauer des Ausgangssignals bestimmt durch die Dauer der Taktsignale. Solange das Eingangssignal während des Auftretens eines Taktsignals φΐ seinen Pegel nicht ändert, werden während der Dauer der Taktsignale φΐ Ausgangssignale erzeugt, wie sie in Fig. 2 durch die Seitabschnitte A, B und E dargestellt. Ändert sich während eines Taktsignals φΐ das

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Eingangssignal, was durch die Zeitabschnitte C und D illustriert ist, dann kann ein unerwünschtes Ergebnis, d. h., ein Undefiniertes Ausgangssignal auftreten. Wenn beispielsweise das Eingangssignal vom unteren zum oberen Pegelwert übergeht, so wird der Transistor T15 leitend und am Ausgang Ö steht der untere Pegelwert an. Dies gilt beispielsweise für den Zeitabschnitt B. Wechselt das Eingangssignal während des Auftretens eines Taktsignals φΐ zum unteren Pegel, was für den Zeitabschnitt C in Fig. 2 zutrifft, so könnte am Ausgang 5 der untere Pegelwert solange erhalten bleiben, wie von einer äußeren, an den Ausgang Ö angeschlossenen Stromquelle kein Strom in den Ausgang fließt. Die Wechsel des Eingangssignales sollten also zwischen den angegebenen Zeitabschnitten stattfinden, obgleich die Echt-Komplement-Beziehung am Ausgang während des Auftretens des Taktsignals φΐ hergestellt wird.

Der Erzeugung eines echten, also eines nichtinvertierten Ausgangssignals am Ausgang O dient der zweiten Schaltungsteil des Echt-Komplement-Generators. Dieser zweite Schaltungsteil ist mit einer der gesteuerten Elektroden des Transistors T18 an den Eingang I angeschlossen» Die Gateelektrode des Transistors TlO ist an den ersten Anschluß +V angelegt» Die Verbindung zum zweiten Anschluß der Betriebsspannungsquelle (Masse) erfolgt über eine der gesteuerten Elektroden beider Transistoren T14 und T16. Ferner sind der erste und zweite Schaltungsteil des Echt-Komplement--Generators betriebsmäßig an gemeinsame Verbindungen angeschlossen, die als Leitungen 22 und 24 bezeichnet sind. Die gemeinsame Leitung 22 zwischen dem Ausgang Ό und der Gateelektrode des.Transistors Tl6 bewirkt, daß am Ausgang 0 der untere Pegelwert anliegt, wenn der Ausgang δ den oberen Pegelwert aufweist. Die Leitung 24 bewirkt, daß die Pegelwechsel zu den oberen Werten an den Ausgängen gleichzeitig mit der positiven Flanke des Taktsignals φΐ stattfinden. Gind also die Bedingungen für das Leitendwerden des Transistors TIl oaer des Transistors T12 schon vor Auftreten des Taktsignals φΐ gegeben, so erfolgt die Umschaltung des Ausgangssignals am entsprechenden Ausgang erst mit der positiven Flanke

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des Taktsignals Cl. Der jeweils andere Ausgang bleibt auf dem unteren Pegelwert, auf dem vor dem Auftreten des Taktsignals Cl beide Ausgänge durch das Taktsignal C2 bzw. die Transistoren T13 und T14 gehalten werden.

Der beschriebene Echt-Komplement-Generator liefert aufgrund eines Eingangssignals ein invertiertes und ein nichtinvertiertes Ausgangssignal und zwar in bestimmter Abhängigkeit von vorgegebenen Taktsignalen. Die Schaltung ist in vorteilhafter Weise in FeIdeffekt-Transistortechnologie integrierbar, liefert Treibersignale für hoch kapazitive Lasten und verbraucht keine Gleichstromleistung, da zwischen den beiden Betriebsspannungsanschlüssen niemals ein kompletter, leitender Stromweg vorhanden ist.

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Claims

- 9 PATENTANSPRÜCHE

Echt-Komplement-Generator zur von Taktsignalen gesteuerten Erzeugung eines nichtinvertierten und eines invertierten Ausgangssignals aufgrund eines Eingangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster, das invertierte und ein zweiter, das nichtinvertierte Ausgangssignal liefernder Schaltungsteil vorgesehen ist/ daß die beiden Schaltungs-teile über einen durch ein erstes Taktsignal (φΐ) gesteuerten ersten Stromweg mit dem ersten Anschluß (+V) und über einen durch ein gegenphasiges zweites Taktsignal (φ2) gesteuerten zweiten Strorm-reg mit dem zweiten Anschluß (Masse) der Betriebsspannungsquelle verbunden sind und daß erster und zweiter Schaltungsteil so verbunden sind, daß während der Dauer des ersten Taktimpulses von einem Eingangssignal ein invertiertes und ein nichtinvertiertes Ausgangssignal gebildet werden.
2. Echt-Komplement-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltungsteil ein gesteuerter Inverter ist, bei dem der Ausgang (δ) über einen vom Eingangssignal gesteuerten ersten Schalter (Tl5) mit dem zweiten Anschluß (Masse) der Betriebsspannungsquelle ver-' bunden ist, bei dem parallel zum ersten ein vom zweiten Taktsignal (φ2) gesteuerter zweiter Schalter (Tl3) angeordnet ist, bei dem ferner in Serie zur Parallelschaltung aus erstem und zweitem Schalter ein dritter Schalter (TU) angeordnet ist und über den ersten gesteuerten Stromweg die Verbindung zum ersten Anschluß (+V) der Betriebsspannungsquelle herstellt und bei dem schließlich zwischen dem gemeinsamen Anschluß des ersten, zweiten und dritten Schalters und der Steuerelektrode des dritten Schalters eine Rückkopplungskapazität (Cl) angeordnet ist, die an einen, vom ersten Taktsignal (φΐ) und vom Eingangssignal gesteuerten Entladestromweg angeschlossen ist.

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3. Echt-Komplement-Generator nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet/ daß der zweite Schaltungsteil eine gesteuerte Treiberstufe ist, bei der zwischen dem Ausgang (O) und. dem zweiten Anschluß (Hasse) der Betriebsspannungsquelle ein vom zweiten Taktsignal (φ2) gesteuerter vierter Schalter (T14) vorgesehen ist, bei dem parallel zum vierten ein vom Ausgang (0) des ersten Schaltungsteils gesteuerter fünfter Schalter (Tl6) angeordnet ist, bei dem ferner ein sechster Schalter (T12) zwischen dem Ausgang

(O) und dem ersten Anschluß (+V) der Betriebsspannungsquelle angeordnet ist, wobei der Ausgang (0) über eine Rückkopplungskapazität (C2) mit der Steuerelektrode des sechsten Schalters verbunden und ein vom Eingangssignal gesteuerter Ladestromweg für die Rückkopplungskapazität vorgesehen ist.
4. Echt-Komplement-Generator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter und Stromwege aus Feldeffekt-Transistoren bestehen.

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