DE2406662A1

DE2406662A1 - Frequenzteilerschaltung

Info

Publication number: DE2406662A1
Application number: DE19742406662
Authority: DE
Inventors: Michael Leo Canning
Original assignee: Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp
Priority date: 1973-02-12
Filing date: 1974-02-12
Publication date: 1974-08-15
Also published as: JPS49113555A; FR2327680B1; CA1001234A; DE2406662B2; GB1457765A; NL7316153A; JPS5845214B2; FR2327680A1; IT1002628B; US3829713A

Description

DIPLOM-ING ENIE*J B.

KARL-HEINZ SCHAUMBCP-G

PATENTANWALT ? Δ Π R R R

8 MÜNCHEN 8O MATJKRKJHCHEBSXH.

TTJTITDCiTT ΤΜΠ MAUERKIHCHBKSXK. Bl LM 1Ü.K51L, INC . telefon cosii) 9819

10900 North Tantau Avenue

Cupertino, Calif. 95014- ^ ^F^u^{ar 1974}

U.S.A.

Frequenzteilerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Frequenzteilerschaltung, bestehend aus einer Anordnung von η kettenförmig hintereinander geschalteten Teilerstufen.

Die Frequenzteilung wird für die unterschiedlichsten Anwendungen durchgeführt, beispielsweise in frequenzmodulierten Sendern, Fernsehsendern u.a. Ein besonderes Entwicklungsgebiet hat sich für die Präzisionsfrequenzteilung in elektronischen Uhren ergeben, in denen ein sehr stabiles hochfrequentes Signal mit einem Quarzoszillator erzeugt und dessen Frequenz dann auf eine Schwingung pro Sekunde heruntergeteilt wird, um damit einen Antriebsmotor für die Uhrzeiger zu steuern.

Eine Frequenzteilung kann nach unterschiedlichen Prinzipien durchgeführt werden. So können beispielsweise Relaxations-

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oszillatoren wie Mult!vibratoren, Flip-Flop-Schaltungen und ähnliche Anordnungen mit Überlagerungsfrequenzteilern eingesetzt werden, die eine harmonische Frequenz er- zeugen, welche mit einer Grundfrequenz zur Erzeugung einer geteilten Frequenz kombiniert wird. Ferner können Zählerschaltungen vorgesehen sein, in denen ein Kondensator schrittweise auf einen vorbestimmten Wert geladen und dann entladen wird.

Mit der Entwicklung der integrierten Schaltungen entstanden auch in entsprechender Technik aufgebaute"IC-Frequenzteiler. Bekanntlich können in solchen Schaltungen MOS- und CMOS-Anordnungen eingesetzt werden. In elektronischen Uhren werden zur Frequenzteilung allgemein CMOS-Master-Slave-Flip-Flops (zweiflankengetriggerte Flip-Flops mit static scher Zwischenspeicherung) verwendet. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Frequenzteilung innerhalb einer integrierten Schaltung durch Schieberegister zu erzeugen, die als Ringzähler geschaltet sind.

Außer den für die Frequenzteilung allgemein bekannten entstehen bei modernen Anwendungsfällen weitere Probleme, beispielsweise das Erfordernis einer Begrenzung der physikalischen Größe des Teilers und seines Leistungsbedarfs. Insbesondere bei elektronischen Uhren, für die die Erfindung besondere Vorteile bietet, muß der Frequenzteiler einen minimalen Raumbedarf haben. Ferner ist es besonders bei diesem Anwendungsfall erforderlich, daß der Frequenzteiler mit einer sehr niedrigen Schwellenspannung arbeitet und möglichst wenig Leistung verbraucht, da diese durch eine Miniaturbatterie geliefert wird.

Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Frequenzteilerschaltung anzugeben, die sich in integrierter

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Technik bei geringstmöglichem Raumbedarf, jedoch größtmöglicher Präzision aufbauen läßt und infolge geringen Leistungsbedarfs eine lange Betriebszeit gewährleistet.

Eine Frequenzteilerschaltung der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß jede Teilerstufe aus einer Reihenschaltung einer ersten Torschaltung, einer ersten invertierenden Schaltung, einer zweiten Torschaltung und einer zweiten invertierenden Schaltung besteht, daß die letzte der hintereinander geschalteten Teilerstufen über einen Inverter mit der ersten zu einer Ringanordnung verbunden ist und daß die beiden Torschaltungen jeweils einer Teilerstufe gegensinnig mit den zu teilenden Signalen oder mit den Ausgangssignalen der jeweils vorhergehenden Teilerstufe angesteuert sind.

Eine Frequenzteilerschaltung nach der Erfindung erfordert eine wesentlich geringere Anzahl von Schaltungseinheiten als bisher bekannte Schaltungen gleicher Leistung, so daß die physikalische Größe der Schaltung und p-ich der Leistungsbedarf minimal gehalten werden können und niedriger liegen als bei bekannten Anordnungen. Deshalb kann eine Schaltung nach der Erfindung vorteilhaft in integrierter Technik mit CMOS-Anordnungen aufgebaut werden.

Eine Frequenzteilerschaltung nach der Erfindung kann mit dem Teilerfaktor 2n arbeiten, wobei η eine beliebige ganze Zahl ist. Eine einzelne Stufe der Frequenzteilerschaltung enthält zwei CMOS-Torschaltungen, die gegensinnig durch die zu teilenden Taktimpulse angesteuert werden. Das Ausgangssignal der ersten Torschaltung wird invertiert und gegebenenfalls gespeichert und dann über die zweite Torschaltung geleitet sowie danach invertiert und gegebe-

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nenfalls gespeichert. Beim einfachsten Anwendungsfall der Erfindung in einem Binärteiler wird das zweite invertierte Signal als Ausgangssignal der Teilerschaltung verwendet und kann nach weiterer Invertierung an einem zweiten Schaltungsausgang der ersten Torschaltung als Eingangssignal wieder zugeführt werden. Eine Frequenzteilung mit einem Faktor, der größer als 2 ist, wird durch kettenförmige Hintereinanderschaltung solcher Teilerstufen möglich, wobei jede Stufe aus zwei Torschaltungen und zwei invertierenden Schaltungen besteht, die gegebenenfalls Speichereigenschaften haben. Ferner ist es möglich, die Ausgangssignale einer oder mehrerer Stufen als die ansteuernden Taktimpulse für die nachfolgenden Stufen zu verwenden.

Die Erfindung eignet sich besonders zum Aufbau dynamischer Teilerschaltungen, in denen die Torschaltungen und die invertierenden Schaltungen als CMOS-Anordnungen aufgebaut sind. Die Speicherung der Signale erfolgt dann durch die Eingangskapazität der invertierenden Schaltungen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer binären Teilerschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2A und

Fig. 2B Funktionstabellen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung,

Fig. 3 einen dynamischen binären Frequenzteiler nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Blockdarstellung eines Frequenzteilers nach der Erfindung mit dem Teilerfaktor 2n,

Fig. 5 einen dynamischen binären CMOS-Frequenzteiler nach der Erfindung,

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Fig. 6 einen Frequenzteiler nach der Erfindung mit dem Teilerfaktor 6 mit zusätzlichen Elementen zur Unterdrückung verbotener oder unerlaubter Schaltzustände, und

Fig. 6a eine Funktipnstabelle für die Knotenzustände der Schaltung nach Fig. 6 bei Fehlen der Elemente zur Unterdrückung unerlaubter Schaltzustände .

Die Erfindung ermöglicht eine Frequenzteilung mit jedem geradzahligen Faktor, d.h. eine Teilung mit dem Faktor 2n, wobei η = 1, 2, 3, 4, 5 usw. ist. Eine binäre Teilung, d.h. eine Teilung mit dem Faktor 2n, wobei η = 1 ist, stellt die einfachste Verwirklichung der Erfindung dar und ist schematisch in Fig. 1 gezeigt. Es sind eine erste und eine zweite Torschaltung 11 und 12 dargestellt, die mit Taktimpulsen einander entgegengesetzter Polarität angesteuert werden. Die Torschaltungen 11 und 12 sind gegensinnig mit Taktimpulsklemmen 13 und 14 verbunden. Die Klemme 13 erhält die normalen Taktimpulse 16, die Klemme 14 die dazu komplementären oder invertierten Taktimpulse 17. Die Taktimpulse 16 und 17 sind im übrigen identisch, jedoch um 180° gegeneinander phasenverschoben. Die Torschaltungen 11 und 12 leiten die Signale während einander entgegengesetzter Halbzyklen der normalen Taktimpulse. So ist beispielsweise die Torschaltung 11 während des hohen Pegels der Taktsignale 16 geöffnet, während die Torschaltung 12 während des hohen Pegels der komplementären Taktsignale 17 geöffnet ist. Die Torschaltungen 11 und 12 sind also abwechselnd durchgeschaltet und übertragen Signale entsprechend ihrer Ansteuerung mit den Taktimpulsen. Das Ausgangssignal der Torschaltung 11 wird einer Speicher- und Inverterschaltung 21 zugeführt, und das darin gespeicherte und invertierte Signal wird durch die Torschaltung 12 einer zweiten

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Speicher- und Inverterschaltung 22 zugeführt. Durch die Anschaltung des Ausgangssignals der Schaltung 22 über einen Inverter 23 an den Eingang der Torschaltung 11 ist eine binäre Teilerschaltung vervollständigt. Die Ausgangssignale der Schaltung erhält man an der Speicherund Inverterschaltung 22 und am Ausgang des Inverters 23, diese beiden Ausgangssignale erscheinen an den Schaltungsausgängen 26 und 27.

Zur Funktionsbeschreibung der Schaltung werden im folgenden Knotenpunkte a, b, c, d und e definiert, die in Fig,1 an den Ausgängen der Torschaltung 11, der Speicher- und Inverterschaltung 21, der Torschaltung 12, der Speicherund Inverterschaltung 22 und des Inverters 23 dargestellt sind. Da es sich hier um eine logische Schaltung handelt, kann ihre Funktion am besten durch die in Fig. 2A und 2B dargestellten Funktionstabellen veranschaulicht werden, in denen die logischen Zustände 1 und O für aufeinanderfolgende Zeitintervalle angegeben sind. Es sind zwei Schaltungsanordnungen abhängig von der relativen Polarität der beiden Torschaltungen möglich, d.h. abhängig davon, für welche Polarität der Taktimpulse die jeweilige Torschaltung geöffnet wird. Die Funktionstabelle A in Fig. 2A gilt für den Fall, daß die Torschaltung 11 bei dem hohen Pegel des Taktsignales 16 und die Torschaltung 12 bei dem niedrigen Pegel des Taktsignals 16 durchgeschaltet ist, der dem hohen Pegel des komplementären Taktsignals 17 entspricht. Die Funktionstabelle B in Fig. 2B gilt für die dazu entgegengesetzten Polaritätsverhältnisse.

Ziir Erläuterung der Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung anhand von Fig. 1 und Fig. 2A wird im folgenden willkürlich für die Knotenpunkte a, b, c, d und e eine Folge von Signalwerten gewählt, die zum Zeitpunkt t_Q den logi-

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sehen Zuständen O, 1, O, 1, 0 entspricht. Wenn nun das Taktsignal seinen hohen Pegel erhält, der dem logischen Zustand 1 entspricht, so wird der logische Zustand O des Knotens d auf den Knoten a übertragen, der diesen logischen Zustand dann hält, so daß er in der Schaltung 21 gespeichert und invertiert wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die Torschaltung 12 gesperrt, so daß die Signalwerte an den Knoten b, c, d und'e auf den Zuständen 1, 0, 1, 0 bleiben. Wenn das Taktsignal zum Zeitpunkt t₂ seinen niedrigen Pegelwert erhält und das komplementäre Taktsignal 17 seinen hohen Pegelwert erhält, so wird die Torschaltung 11 gesperrt und die Torschaltung 12 geöffnet. Dadurch wird das Signal am Knoten b auf den Knoten c übertragen, so daß dieser den logischen Zustand 1 erhält. Dieser Zustand wird in der Schaltung 22 gespeichert und invertiert, so daß der Knoten d den Zustand 0 erhält, welcher nach Invertierung im Inverter 23 am Knoten e den Zustand 1 erzeugt. Da die Torschaltung 11 gesperrt ist, bleibt der Knoten a auf dem logischen Zustand 0, der in der Schaltung 21 gespeichert und invertiert wird, so daß am Knoten b der Zustand 1 bleibt. Die nächste Umkehrung der Taktimpulspolarität führt zur Öffnung der Torschaltung 11 und zur Sperrung der Torschaltung 12. Dadurch wird der hohe Signalpegel bzw. der logische Zustand 1 am Knoten e auf den Knoten a übertragen, wo er gespeichert und invertiert wird und zum logischen Zustand 0 am Knoten b führt. Die Torschaltung 12 ist zu diesem Zeitpunkt gesperrt, so daß das Signal am Knoten c hohen Pegel behält und nach der Invertierung am Knoten d den Zustand 0 erzeugt. Eine weitere Invertierung führt zum Zustand 1 am Knoten e. Die vorstehend beschriebenen Vorgänge wiederholen sich für jede Polaritätsumkehr der Taktsignale, wie dies in der Funktionstabelle A nach Fig. 2A zu erkennen ist.

Das Signal am Knoten d bzw. am Schaltungsausgang 26 hat die

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aufeinanderfolgenden Zustände 1, 1, O, 0, dann 1, 1 usw. Dieses Signal wird im Inverter 23 invertiert und erscheint danach an dem anderen Schaltungsausgang 27. Die Frequenz der Eingangstaktsignale wird also mit dem Faktor 2 geteilt, d.h. während der Zeit, in der das Taktsignal 16 von hohem zu niedrigem und wieder zu hohem Pegel wechselt, ergibt sich eine Änderung der Ausgangsimpulse von hohem zu niedrigem Pegel. Um dies zu verdeutlichen, sind in der Funktionstabelle A nach Fig. 2A die Signalzustände an dem Knoten d bzw. am Ausgang 26 paarweise mit Klammern versehen, und in Fig. 1 sind die Maßstäbe für die Darstellung der Eingangsimpulse und der Ausgangsimpulse im Verhältnis 2 : 1 gewählt, um die Frequenzänderung anschaulich zu zeigen.

Für den Fall der entgegengesetzten Polaritätsverhältnisse an der in Fig. 1 gezeigten Schaltung gilt die Funktionstabelle B nach Fig. 2B. Eine eingehende Erläuterung der Funktion für jeden logischen Zustand der Taktsignale ist wohl nicht erforderlich, nachdem diese bereits für die Verhältnisse der Funktionstabelle A erfolgte. Es sei lediglich bemerkt, daß für den logischen Zustand 1 der Taktimpulse 16 die erste Torschaltung 11 die Signale sperrt und die zweite Torschaltung 12 die Signale durchläßt und umgekehrt. Aus den Funktionstabellen A und B in Fig. 2 ist zu erkennen, daß die in Fig. 1 gezeigte Schaltung eine binäre Teilung durchführt und daß der durch die entgegengesetzten Polaritätsverhältnisse erzeugte einzige Unterschied darin besteht, daß eine andere Phasenlage der Ausgangssignale relativ zu den beiden EingangsSignalen hervorgerufen wird. Es sei ferner bemerkt, daß die Ausgangssignale an den Ausgängen 26 und 27 bzw. an den Knoten d und e als normale und komplementäre Taktsignale für nachfolgende

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TeHerschaltungen ausgenutzt werden können, die entweder nach der Erfindung oder in anderer Weise aufgebaut sind.

Die Erfindung kann mit statischen oder dynamischen Schaltungen verwirklicht werden. Beispielsweise können Flip-Flop- Schaltungen oder Inverter eingesetzt werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß bei Einsatz dynamischer Schaltungen eine niederfrequente Grenze für den Normalbetrieb gesetzt ist, die durch die Entladungsgeschwindigkeit an einem dynamischen Speicherknoten bestimmt ist. Wird eine dynamische Schaltung aufgebaut, so wird die Speicherfunktion' durch die Eingangskapazität der Inverter verwirklicht. In Fig. 3 ist eine dynamische binäre Teilerschaltung nach der Erfindung dargestellt. Die Speicherund Inverterschaltungen nach Fig. 1 sind durch Inverter ersetzt, d.h. durch integrierte Schaltungen, die ein über sie geführtes Signal invertieren. In Fig. 3 sind eine erste und eine zweite Torschaltung 31 und 32 gezeigt, die gegensinnig in nicht dargestellter Weise mit Taktsignalen gesteuert werden. Ein Inverter 33 ist zwischen den Ausgang der Torschaltung 31 und den Eingang der Torschaltung 32, ein Inverter 34 an den Ausgang der Torschaltung 32 geschaltet. Bei der dargestellten binären Teilerschaltung ist ein Ausgang 36 mit dem Ausgang des Inverters 34 verbunden, dem ferner ein weiterer Inverter 37 nachgeschaltet ist, dessen Ausgang zum Eingang der Torschaltung 31 und zu einem zweiten Ausgang 38 führt. Dieser zweite Ausgang 38 liefert ein komplementäres Taktsignal, wenn eine weitere Teilerstufe an die Ausgänge der in Fig. 3 gezeigten Schaltung angeschlossen werden soll. Die Funktion der in Fig. gezeigten Schaltung entspricht der bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen. Daher ist eine weitere Erläuterung von Einzelheiten nicht erforderlich.

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In Fig. 4 ist eine Teilerschaltung nach der Erfindung für einen Teilerfaktor 2n dargestellt. Eine erste Teilerstufe 41 besteht aus zwei Torschaltungen 42 und 43 und zwei Invertern 44 und 46, die gemäß Fig. 3 zusammengeschaltet sind. Die Torschaltungen 42 und 43 werden durch Taktimpulse in "bereits beschriebener Weise angesteuert, weshalb diese Ansteuerung nicht weiter dargestellt ist. Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung erzeugt mit dem Ausgangssignal der ersten Teilerstufe 41 das Eingangssignal einer zweiten Teilerstufe 47, dieses Prinzip setzt sich bis zur n-ten Stufe fort. Das Ausgangssignal dieser Stufe N. wird mit dem Inverter 48 invertiert und auf den Eingang der ersten Teilerstufe 41 zurückgeführt. Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung erzeugt eine Teilung mit dem Faktor 2n, das geteilte Signal erscheint am Ausgang 49. Wenn eine weitere Frequenzteilung durchzuführen!ist, kann ein komplementäres Taktsignal am Ausgang 49' abgenommen werden, der das normale Ausgangssignal des Ausgangs 49 invertiert liefert.

Wie bereits ausgeführt, kann eine Grundschaltung nach der Erfindung so erweitert werden, daß sich ein Teilerfaktor 2n ergibt, wobei η = 1, 2, 3, 4, 5 usw. ist. Neben den Ausgangsinvertern hat jeder dynamische Frequenzteiler 2n interne Schaltzustände, die zu 2 möglichen logischen Kombinationen führen. Diese Kombinationen treten in Gruppen von 2ⁿ auf, so daß sich 2ⁿ mögliche unterschiedliche Zustände ergeben. Durch die Definition der Teilung mit dem Faktor 2n sind nur 2n Zustände erlaubt. Alle Zustände über 2n sind unerlaubte Zustände, die eine fehlerhafte Division erzeugen können, wenn sie nicht durch besondere Verknüpfungen unterdrückt werden. Dieses Problem tritt dann auf, wenn η größer als 2ⁿ ist, d.h. wenn η größer als 2 ist. Für eine Teilung mit Faktoren, die größer als 4 sind, werden

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dann zusätzliche Verknüpfungen in Form von Transistoren erforderlich, um die unerlaubten Zustände zu unterdrükken.

Das Verknüpfungsnetzwerk zur Unterdrückung unerlaubter oder ungültiger Schaltzustände muß zwei Kriterien erfüllen: einmal muß es einen Übergang von jeder Folge unerlaubter Schaltzustände in einen erlaubten Schaltzustand ermöglichen, zum anderen darf es die normale Folge erlaubter Schaltzustände nicht beeinträchtigen. Um die Anzahl und die Anordnung solcher Verknüpfungen zu bestimmen, werden zunächst die erlaubten und die unerlaubten Schaltzustände einer Schaltung nach der Erfindung bestimmt. Dabei ist zu beachten, daß die unerlaubten oder verbotenen Schaltzustände diejenigen sind, die in der gewünschten Teilungsfunktion nicht auftreten sollen.

Die vorstehenden Ausführungen werden durch ein Beispiel für eine Teilung mit dem Faktor 6 verständlicher. In diesem Falle ist η größer als 2, d.h. η = 3, so daß verbotene oder unerlaubte Zustände zu berücksichtigen sind. In Fig. 6 ist eine Schaltung zur Frequenzteilung mit dem Faktor 6 nach der Erfindung dargestellt, die Verknüpfungsglieder zur Unterdrückung unerlaubter oder verbotener Schaltzustände aufweist. Fig. 6A zeigt eine Tabelle für erlaubte und unerlaubte Schaltzustände an den in Fig. 6 gezeigten Knotenpunkten. Anhand der Fig. 6A ist zu erkennen, daß von den möglichen 16 unerlaubten Zuständen 8 Zustände bei Empfang eines Taktimpulses an der Schaltung in den Zustand 001100 gewandelt werden, während die übrigen 8 Zustände bei Empfang eines Taktimpulses in den Zustand 110011 gewandelt werden. Bewertet man weiter diesen Zustand, so ist zu erkennen, daß mit jedem der beiden genannten sich ergebenden unerlaubten Zustände durch Tei-

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lung mit dem Faktor 2 die auf der rechten Seite der Fig. 6A gezeigten Ergebnisse erhalten werden. Diese Folge kann für eine Teilung mit dem Faktor 6 in der Schaltung nach Fig. 6 nicht zugelassen werden.

Um diese Situation auszuschließen, ist die Schaltung nach Fig. 6 durch eine NAND-Schaltung 91 erweitert, deren Eingänge mit den Knoten c und d verbunden sind, während der dritte Anschluß mit dem Knoten f' verbunden ist. In der Praxis kann diese NAND-Schaltung 91 lediglichVli-Kanal-MOS-Transistoren umfassen, deren Gate-Elektroden mit den Knoten c und d verbunden sind und die im übrigen zwischen den Knoten f' und Erdpotential in Reihe geschaltet sind. Es ist zu erkennen, daß mit einer solchen Schaltung der Knoten f' immer dann mit Erdpotential verbunden wird, wenn beide Knoten c und d ein hohes Potential bzw. den logischen Zustand 1 führen.

Die vorstehend beschriebene Erweiterung der Schaltung nach Fig. 6 ermöglicht einen Übergang vom unerlaubten Zustand 001100 zum erlaubten Zustand 101101. Dies bestätigt sich durch eine Betrachtung der Schaltung nach Fig. 6 in derselben Weise, wie es bereits in Verbindung mit Fig. 1 für eine binäre Teilung erläutert wurde. Ferner sei bemerkt, daß zur Teilung mit Faktoren, die größer als 6 sind, mehr Einzelteile erforderlich sind. Jedoch ist das Grundprinzip unverändert. Die beiden oben genannten Kriterien müssen durch Bildung eines oder mehrerer Entladungswege erfüllt werden, so daß jeder zunächst unerlaubte oder verbotene Schaltzustand in einen erlaubten Schaltungszustand für die Teilung bei Auftreten des nächsten Taktimpulses gewandelt wird. Dadurch wird dann die Erzeugung weiterer unerlaubter oder verbotener Schaltzustände in der Schaltung ausgeschlossen und die gewünschte Funktionsfolge verwirklicht.

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Eine Frequenzteilerschaltung nach der Erfindung eignet sich besonders für den Einsatz bei der digitalen Frequenzteilung in einer elektronischen Uhr, die durch einen mit hoher Frequenz schwingenden Quarzoszillator gesteuert wird. Bei solchen Uhren muß der Leistungsbedarf wegen der nur sehr kleinen Stromquelle minimal gehalten v/erden. Ein Hauptanteil des Leistungsverbrauchs wird dabei durch die Aufladung und Entladung von Knotenkapazitäten verursacht. Der Leistungsverbrauch ist ungefähr gleich dem Produkt der Knotenkapazitäten mit dem Quadrat der Betriebsspannung und mit der Frequenz. Da die Spannung und die Frequenz durch andere Parameter vorgegeben sind, wird der Leistungsbedarf durch möglichst kleine Knotenkapazitäten begrenzt, was wiederum zu einer minimalen Anzahl von Einzelteilen und damit zu einer optimalen Auslegung der integrierten Schaltung führt. Es sei bemerkt, daß bei elektronischen Uhren digitale Teilerschaltungen allgemein zur Teilung einer genauen hohen Frequenz eines Quarzoszillators auf eine variable Frequenz verwendet werden, mit der der Uhrenmotor gesteuert wird. Die in jeder Teilerstufe verbrauchte Leistung fällt von hoher zu niedriger Frequenz in Form einer geometrischen Reihe abhängig von den verwendeten Teilerverhältnissen ab. Daher wird nahezu die gesamte in einer vollständigen Uhrensteuerung erforderliche Leistung in den ersten hochfrequenten Teilerstufen verbraucht, so daß es lediglich nötig ist, die Knotenkapazität der ersten wenigen Stufen zu begrenzen, um den gesamten Leistungsverbrauch einzuschränken. Wie bereits erwähnt, erfordert ein Frequenzteiler mit Master-Slave-Flip-Flop-Schaltungen 16 Transistoren. Im allgemeinen erfordert eine Schaltung nach der Erfindung 8n+2 Transistoren für eine dynamische CMOS-Teileranordnung mit dem Teilerfaktor 2n, verglichen mit I6n Transistoren für eine statische Master-Slave-Teileranordnung mit dem Tei-

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lerfaktor 2n. Somit ermöglicht die Erfindung eine bedeutende Verbesserung von Frequenzteilerschaltungen. Dynamische Teilerschaltungen zeigen gewisse Grenzen für niedrige Frequenzen. Im Zusammenhang mit dem Einsatz in elektronischen Uhren tritt jedoch kein Nachteil bei der dynamischen Frequenzteilung bei höheren Frequenzen ein, hingegen wird die gewünschte Einschränkung der verbrauchten Gesamtleistung erzielt. Eine Frequenzteilung bei niedrigeren Frequenzen kann durch die üblichen Master-Slave-Flip-Flops erfolgen.

Die Erfindung ermöglicht also eine Frequenzteilung mit einer verringerten Anzahl von Schaltelementen in integrierter Schaltungstechnik, besonders im Vergleich mit den bisher eingesetzten Master-Slave-Flip-Flop-Schaltungen. Es sei bemerkt, daß bei der Erfindung für eine binäre Frequenzteilung nur 10 Transistoren erforderlich sind, während die bisher üblichen Schaltungen 16 Transistoren benötigen.

In Fig. 5 ist ein binärer dynamischer CMOS-Frequenzteiler nach der Erfindung dargestellt. Diese Schaltung kann auf einem einzigen Schaltungsträger aus Halbleitermaterial als eine monolithische integrierte Schaltung verwirklicht werden. Sie verwendet CMOS-Einheiten, und es sei kurz darauf hingewiesen, daß eine komplementäre MOS-Einheit oder CMOS-Einheit aus einer p-Kanal und einer n-Kanal-MOS-Anordnung besteht, wie dies für die Technik integrierter Schaltungen bekannt ist. Dabei ist eine Verbindung der beiden Source-Elektroden in bekannter Weise vorgesehen.. Die Darstellung nach Fig. 5 zeigt einen von der jeweiligen MOS-Anordnung ausgehenden kurzen Pfeil zur Kennzeichnung eines p-Kanals, während ein η-Kanal durch einen zu der Anordnung hingerichteten Pfeil gekennzeichnet ist. In Fig. 5 ist eine erste Torschaltung,

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die der in Fig. 3 gezeigten Torschaltung 31 entspricht, durch eine CMOS-Einheit 51 gebildet, die eine p-Kanal-MOS-Einheit 52 und eine n-Kanal-MOS-Einheit 53 umfaßt, welche eine gemeinsame Source-Verbindung 54 aufweisen. Eine zweite Torschaltung entsprechend der Torschaltung 32 nach Fig. 3 ist durch eine CMOS-Einheit 56 gebildet, die eine p-Kanal-MOS-Anordnung 57 und eine n-Kanal-MOS-Anordnung 58 umfaßt, denen die gemeinsame Source-Verbindung 59 zugeordnet ist. Die CMOS-Anordnungen 51 und 56 können auch mit vertauschten Source- und Drainelektroden der jeweiligen MOS-Anordnung betrieben werden, die CMOS-Anordnungen werden jeweils mit gemeinsamen Source-Verbindungen hergestellt und können gemäß der Erfindung auch mit integralen gemeinsamen Drain-Verbindungen gebildet werden, um die Torschaltungen 31 und 32 nach Fig. 3 zu verwirklichen.

Es sind Taktsignaleingänge 6A und 6B vorgesehen, von denen der Eingang 6A die normalen Taktimpulse und der Eingang 6b die komplementären Taktimpulse empfängt. Der Eingang 6'A ist mit der Gate-Elektrode der p-Kanal-MOS-Anordnung 52 und mit der Gate-Elektrode der n-Kanal-MOS-Anordnung 58 verbunden. Der Eingang 6B ist mit der Gate-Elektrode der n-Kanal-MOS-Anordnung 53 und mit der Gate-Elektrode der p-Kanal-MOS-Einheit 57 verbunden.

Es sind ferner drei Inverter vorgesehen, die den in Fig.3 gezeigten Invertern 33, 34 und 37 entsprechen. Sie sind durch CMOS-Einheiten 61, 71 und 81 gebildet. Der Ausgang an der gemeinsamen Drain-Verbindung der CMOS-Einheit 51 ist mit den Gate-Elektroden der MOS-Transistoren 62 und der CMOS-Einheit 61 verbunden. Der Transistor 62 der CMOS-Einheit 61 ist eine p-Kanal-MOS-Anordnung und ist mit seiner Source-Elektrode mit dem positiven Anschluß 64 der Be-

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triebsspannungsquelle verbunden, der in Fig. 5 auch mit ^VDD ^t)ezeichne'^fc is*· ⁰^ n-Kanal-MOS-Transistor 63 ist mit seiner Source-Elektrode an die Erdpotentialklemme 66 angeschlossen und die gemeinsame Source-Verbindung der CMOS-Einheit 61 ist mit der gemeinsamen Drain-Verbindung der CMOS-Einheit 56 verbunden. Der zweite Inverter 71 ist wie der erste aufgebaut, er hat einen p-Kanal-MOS-Transistor 72, dessen Source-Elektrode mit dem Anschluß 64 für die positive Betriebsspannung verbunden ist. Ein n-Kanal-MOS-Transistor 73 ist mit seiner Source-Elektrode an den Anschluß 66 für Erdpotential angeschaltet, eine gemeinsame Verbindung zwischen den Gate-Elektroden dieser Transistoren mit der gemeinsamen Source-Verbindung 59 der CMOS-Einheit 56 verbunden. Diese vier Einheiten, d.h. die beiden Torschaltungen und die beiden Inverter bilden eine binäre Teilerschaltung nach der Erfindung, und ferner ist ein weiterer Inverter 81 vorgesehen, der das Ausgangssignal der Teilerschaltung invertiert. Dieser CMOS-Inverter 81 besteht aus einem p-Kanal-MOS-Transistor 82, dessen Source-Elektrode mit dem Anschluß64 verbunden ist. Ferner enthält er einen n-Kanal-MOS-Transistor 83, dessen Source-Elektrode mit dem Anschluß 66 verbunden ist. Eine gemeinsame Verbindung zwischen den Gate-Elektroden der Transistoren 82 und 83 ist mit der gemeinsamen Drain-Verbindung der Transistoren 72 und 73 der CMOS-Einheit 71 verbunden und ferner an einen Ausgang 86 angeschaltet. Die gemeinsame Drain-Verbindung der Transistoren 82 und 83 ist mit einem zweiten Ausgang 87 und ferner mit der gemeinsamen Source-Verbindung der CMOS-Einheit 51 verbunden.

Zur Erläuterung der Funktion der in Fig. 5 gezeigten Schaltung sei bemerkt, daß ein negativer Taktimpuls an dem p-Kanal 52 der CMOS-Torschaltung 51 diesen Transistor öffnet und daß gleichzeitig ein positiver komplementärer Taktimpuls an

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dem n-Kanal-Transistor 53 diesen öffnet. In diesem Fall ist die Torschaltung 51 geöffnet und leitet entweder einen negativen oder einen positiven Impuls von ihrem Eingang zu ihrem Ausgang. Es sei bemerkt, daß die Kombination von p-Kanal- und von n-Kanal-MOS-Transistoren in Parallelschaltung vorteilhaft für die Führung entweder positiver oder negativer Impulse ohne wesentliche Spannungsbegrenzung über die Torschaltung ist. Betrachtet man beispielsweise ein über die Torschaltung 51 zu führendes positives Signal, so verursacht dieses bei Anliegen an den Gate-Elektroden der Transistoren 62 und 63 das Leitendwerden des n-Kanal-Transistors 63, womit ein Signal mit Erdpotential oder negativer Polarität an die Torschaltung 56 gelegt wird. Somit ist zu erkennen, daß die CMOS-Einheit 61 als ein Inverter arbeitet.

Die Torschaltung 56 arbeitet entgegengesetzt zur Torschaltung 51, da ein an den n-Kanal-Transistor 58 gelegter positiver Taktimpuls diesen Transistor leitend steuert und gleichzeitig ein negativer komplementärer Taktimpuls an dem p-Kanal-Transistor 57 diesen gleichfalls leitend steuert. Die Torschaltungen 51 und 56 werden also abwechselnd leitend, wenn ein Taktimpulszug und ein dazu komplementärer Taktimpulszug ihnen zugeführt werden. Diese Funktion entspricht den Funktionen der in Fig. 1 und 3 gezeigten Schaltungen. Der CMOS-Inverter 71 arbeitet wie der Inverter 61. Unter Bezugnahme auf die Funktionstabellen nach Fig. 2 ist zu erkennen, daß das Ausgangssignal am Ausgang 86 der in Fig. 5 gezeigten Schaltung die halbe Frequenz der zugeführten Taktimpulse hat. Deshalb erfolgt mit dieser Schaltung eine binäre Frequenzteilung. Es sei bemerkt, daß die Erfindung vorstehend zwar in Verbindung mit digitalen Signalen beschrieben wurde, daß aber auch ein Betrieb

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mit andersartigen Signalen möglich ist, beispielsweise mit sinusförmigen Signalen.

Das in Fig. 5 gezeigte binäre CMOS-Frequenzteilernetzwerk erzeugt eine Frequenzteilung mit einer minimalen Anzahl von Schaltelementen und mit minimalem Leistungsverbrauch. Ferner kann diese Schaltung in integrierter Technik mit gegenüber bisher bekannten Anordnungen wesentlich verringerter Größe aufgebaut werden. Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung kann daher besonders günstig als integrierte Schaltung in elektronischen Uhren eingesetzt werden. Die Leistungsverringerung beträgt ca 70%, die Größenverringerung ca 25%.

Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung einschließlich konstruktiver Einzelheiten können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Claims

Patentansprüche

1y Frequenzteilerschaltung, bestehend.aus einer Anordnung von η kettenförmig hintereinandergeschalteten Teilerstufen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilerstufe (41, 47, ..., N) aus einer Reihenschaltung einer ersten Torschaltung (42), einer ersten invertierenden Schaltung (44), einer zweiten Torschaltung (43) und einer zweiten invertierenden Schaltung (46) besteht, daß die letzte (N) der hintereinandergeschalteten Teilerstufen (41, 47» ...» N) über einen Inverter (48) mit der ersten (41) zu einer Ringanordnung verbunden ist und daß die beiden Torschaltungen (42, 43) jeweils einer Teilerstufe (41, 47, ...,N) gegensinnig mit den zu teilenden Signalen (16) oder mit den Ausgangssignalen (17) der jeweils vorhergehenden Teilerstufe angesteuert sind.
2. Frequenzteilerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Torschaltung (51, 56) als eine CMOS-Anordnung mit zwei Transistoreinheiten (52, 53; 57, 58) aufgebaut ist, deren Gate-Elektroden die Steuereingänge für die jeweils zugeführten Signale bilden und mit ihren Ausgängen an die beiden Gate-Elektroden jeweils einer eine invertierende Schaltung bildenden CMOS-Anordnung (61, 71) mit zwei Transistoreinheiten (62, 63; 72, 73) angeschaltet sind.
3. Frequenzteilerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Inverter als eine CMOS-Anordnung (81) mit zwei Transistoreinheiten (82, 83) aufgebaut ist, deren Gate-Elektroden miteinander verbunden und an den Ausgang einer zweiten invertierenden Schaltung (71) ange-

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schaltet sind und daß der Inverterausgang (87) durch eine gemeinsame Drain-Elektrodenverbindung gebildet ist.
4. Frequenzteilerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzhalbierung fünf CMOS-Anordnungen (51, 61, 56, 71, 81) mit jeweils zwei Transistoreinheiten einander gegensinnigen Leitfähigkeitstyps vorgesehen sind, daß die erste und die dritte CMOS-Anordnung (51, 56) Drain-Elektrodenverbindungen ihrer Transistoreneinheiten (52, 53; 57, 58) aufweisen und an ihren Gate-Elektroden gegensinnig mit zwei Signaleingängen (6A, 6b) für zueinander komplementäre zu teilende Signale verbunden sind, daß die Source-Elektroden der zweiten, vierten und fünften CMOS-Anordnung (61, 71, 81) mit Betriebspotential (64) verbunden sind, daß die Gate-Elektroden der zweiten und vierten CMOS-Anordnung (61, 71) miteinander und mit der Drain-Elektrodenverbindung der ersten bzw. der dritten CMOS-Anordnung (51, 56) verbunden sind, daß eine Drain-Elektrodenverbindung der zweiten CMOS-Anordnung (61) mit einer Source-Verbindung der dritten CMOS-Anordnung (56) verbunden ist, daß die Gate-Elektroden der fünften CMOS-Anordnung (81) miteinander und mit einer Draln-Elektrodenverbindung der vierten CMOS-Anordnung (71) verbunden sind, daß die Drain-Elektrodenverbindungen der vierten und fünften CMOS-Anordnung (71, 81) die Schaltungsausgänge (86, 87) bilden und daß die Drain-Elektrodenverbindung der fünften CMOS-Anordnung (81) mit der Source-Elektrodenverbindung der ersten CMOS-Anordnung (51) verbunden ist.
5. Frequenzteilerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzteilung mit dem Faktor 2n eine Reihenschaltung von η Teilerstufen .an drei vorgegebenen Reihenschaltungsknotenpunkten (c, d, f) mit

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einer Verknüpfungsschaltung (91) verbunden ist, die unerlaubte logische Schaltzustände eliminiert.
6. Frequenzteilerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung (91) zwei in Reihe geschaltete Transistoren (92, 93) umfaßt, deren Steuerelektroden bei drei Teilerstufen mit dem Eingang (C) der zweiten Torschaltung der zweiten Teilerstufe bzw. mit dem Eingang (d) der ersten Torschaltung der dritten Teilerstufe und deren Ausgang mit dem Ausgang (f') der zweiten Torschaltung der dritten Teilerstufe verbunden sind.
7. Frequenzteilerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Reihenschaltung von η Teilerstufen jeweils die beiden Torschaltungen (42, 43) einer Teilerstufe (41, 47, ..., N) gegensinnig mit den zu teilenden Signalen (16) angesteuert werden.
8. Frequenzteilerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede invertierende Schaltung (44, 46) Speichereigenschaften aufweist.

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