DE2552849B2 - Logische schaltung - Google Patents
Logische schaltungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine logische Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es sind allgemein logische Schaltungen bekannt, die eine Spannung erzeugen, welche einen vorgegebenen
Binärwert darstellen, ebenso wie eine Spannung, welche das logische Komplement dieses Wertes darstellen.
Wenn eine solche Schaltung in integrierter Form ausgebildet wird, dann muß man auf die von ihr während
jedes logischen Zust^ndes verbrauchte Leistung achten, weil die Fähigkeit zur (Wärme) Leistungsabführung bei
integrierten Schaltungen etwas begrenzt ist. Beispielsweise erzeugt eine logische Schaltung wie eine
NAND-Schaltung mit N-Eingängen an ihrem Ausgang ein eine binäre Null darstellendes Signal, wenn alle
N-Signale eine binäre Eins bedeuten, andernfalls entsteht als Ausgangssignal eine Eins. Der einzige
Zustand, in welchem Strom der Stromversorgungsschaltung entnommen wird, kann derjenige sein, in welchem
die Schaltung als Ausgangssignal eine binäre Null erzeugt. Wird dieses Signal einem Inverter zugeführt,
dann wäre es unter dem Gesichtspunkt des Gesamtleistungsverbrauches wünschenswert, diejenigen Zeiträume
minimal zu halten, während deren der Inverter Strom verbraucht.
Baut man den Inverter mit komplementären Metalloxid-Transistoren (CMOS) auf, dann kann man die
Probleme des Leistungsverbrauches minimal halten. CMOS-lnverterschaltungen verbrauchen nur in denjenigen
Zeiträumen Strom, in denen der Inverter seinen Zustand ändert. Außer einem Leckstrom wird kein
Strom verbraucht, wenn die Ausgangsspannung des Inverters einem der beiden Binärwerte entspricht. Es ist
jedoch nicht immer möglich, auf CMOS-Schaltungen bei allen MOS-Anwendungen zurückzugreifen. Wenn beispielsweise
eine integrierte Schaltung wie eine Speicheranordnung P-Metalloxidnitrid-Halbleiterelemente
(MNOS) in Verbindung mit der »Silizium-auf-Saphir«-Technih
(SOS) benutzt wird, dann benutzen die Schaltungen, von welchen die Speichersteuerspannungen
abgeleitet werden, p-leitende MOS-SOS-Transistoren. Der Grund hierfür liegt darin, daß die derzeitigen
Herstellungstechniken für integrierte Schaltungen keine einfache Herstellung komplementärer MOS-Transistoren
enthält. Es besteht daher ein Problem, Inverterschaltungen mit Elementen gleicher Polarität (Leitungstyps)
zu realisieren, deren Verlustleistupgseigenschaften an diejenigen eines CMOS-lnverters heranreichen.
DIj Lösung erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmalen.
In den Zeichnungen ist die Erfindung im Vergleich
zum Stande der Technik dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 eine Schaltung nach dem Stande der Technik und
F i g. 2 die Schaltung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung nach dem Stande der Technik wird das Ausgangssignal einer
NAND-Schaltung 10 mit mehreren Eingängen dem Anschluß 12 zugeführt, an dem man ein logisches
Ausgangssignal A erhält. Dieses Signal wird auch einem Inverter 22 zugeführt, welcher das logische Komplement
A am Anschluß 14 erzeugt. Im Inverter sind die Quellen-Abfluß-Strecken von p-leitenden MOS-Transistoren
16 und 18 (PMOS) in Reihe zwischen einen Anschluß 20, dem eine Betriebsspannung — V zugeführt
wird, und einem mit als Masse dargestellten Bezugspotential verbundenen Anschluß geschaltet. Die Steuerelektrode
des Transistors 18 dient als Eingangsanschluß für den Inverter. Die Steuerelektrode des Transistors 16
ist am Anschluß 20 mit seiner Abflußelektrode verbunden.
Zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung sei angenommen, daß eine Spannung bei oder dicht bei der
Betriebsspannung — V eine logische Eins repräsentiert, während eine Spannung bei oder dicht beim Bezugspotential
eine logische Null bedeutet. Es sei bemerkt, daß die Bezeichnung eines logischen Signals als ein
bestimmter Binärwert eine Kurzangabe für die Aussage ist, daß das Signal einen Spar.nungspegel hat, der dem
bestimmten Binärwert entspricht.
Im Betrieb der in F i g. 1 dargestellten Schaltung hat das Ausgangssignal 10 den Binärwert Eins, außer wenn
alle Eingangssignale eine Spannung entsprechend einer binären Eins haben. Dann bedeutet das Ausgangssignal
eine binäre Null. Das Signal A wird dem Inverter 22 zugeführt Stellt das Signal A eine binäre Eins dar, dann
leitet der Transistor IS und verbindet den Anschluß 14
mit Masse. Ist das Signa! A dagegen eine binäre Null, dann ist der Transistor 18 gesperrt, und der Anschluß 14
ist über den Transistor 16 mit Spannung — V verbunden. Dieser letztgenannte Transistor kann als nichtlinearer
»Pull-up«-Widerstand angesehen werden.
Beispielsweise hat die Torschaltung 10 gemäß F i g. 1 sechs Eingänge, und die Spannung A entspricht dem
Binärwert Eins für 63 der 64 Korn!:inationsmöglichkeiten der Eingangsspannungen. Die Ausgangsspannung
des Inverters am Anschluß 14 hat daher für diese
63 Kombinationen den Binärwert Null bzw. f/assepotential.
In solchen Fällen bereiten die bisherigen Schaltungen die erwähnten Probleme hinsichtlich der
Leistungsabgabe (Wärmeabführung). Liegt das Ausgangssignal des Inverters beim Massepotential, dann
fließt ein Invertersirom l/sv- Nur wenn die Spannung
am Anschluß 14 dem Binärwert Eins entspricht, fließt
dieser Strom nicht, wenn man annimmt, daß der Inverter eine rein kapazitive Last, wie etwa die
Steuerelektrode eines MOS-Transistors, ansteuert.
Der Inverter muß daher wegen des bei 53 von
64 Eingangssignalkombinationen der Torschaltung 10 fließenden Stromes hNv Leistung abführen. Hinsichtlich
des Entwurfs des Inverters 22 muß man daher einen Kompromiß schließen. Die Impedanz des Transistors 16
kann zur Verringerung des Leistungsverbrauchs relativ groß gemacht werden. Andererseits soll aber im Sinne
einer möglichst kurzen Schaltzeit des Inverters die Impedanz des Transistors 16 relativ kleingehalten
werden. Hieraus ergeben sich also wieder streitende Forderungen für die Konstruktion. Der Inverter kann
für kurze Schaltzeit ausgelegt werden, verbraucht dann aber mehr Leistung, so daß die Packungsdichte für das
integrierte Schaltungsplättchen dadurch begrenzt wird. Andererseits kann man die Schaltung auf geringen
Leistungsverbrauch auslegen, muß dann aber lange Schaltzeiten in Kauf nehmen. Oder man schließt einen
Kompromiß zwischen diesen beiden Forderungen. In vielen Fällen ist jedoch keine all dieser Lösungen
sonderlich befriedigend.
Bei der in Fig.2 dargestellten Schaltung ist die
Quellen-Abfluß-Strecke eines Transistors 32 zwischen die Betriebsspannungsquelle 30 und den Ausgangsanschluß
46 geschaltet, während die Steuerelektrode mit seiner Abflußelektrode am Anschluß 30 verbunden ist.
Die Quellen-Abfluß-Strecken von Transistoren 34, 36, 38,40,42 und 44 liegen in Reihe zwischen dem Anschluß
46 und einem Bezugspotentialpunkt, hier Masse. Die Quellenabflußtstrecke eines Transistors 50 liegt zwischen
einem Bezugspotential und dem Anschluß 48, seine Steuerelektrode ist mit dem Anschluß 46
verbunden. Die Quellen-Abfluß-Strecken von Transistoren 52, 54, 56, 58, 60 und 62 liegen in Reihe zwischen
dem Anschluß 48 und einer Betriebsspannungsklemme 64, während die Steuerelektroden dieser Transistoren
jeweils entsprechend mit den Gateelektroden der Transistoren 34,36,38,40,42 und 44 verbunden sind.
Die Transistoren 32 bis 44 bilden ein PMOS-NAND-Tor mit sechs Eingängen. NAND-Torschaltungen
mit sechs Eingängen sind im Stande der Technik grundsätzlich bekannt. Als Eingangsanschlüsse dienen
die Steuerelektroden 134 bis 144 der Transistoren 34 bis 44. Die Funktionsweise dieses NAND-Tores entspricht
derjenigen des NAND-Tores 10 in Fig. 1. Am Ausgangsanschluß 46 entsteht ein Binärwert Eins, wenn
dieser Anschluß über den Transistor 32 mit der Betriebsspannungsquelle 30 verbunden ist. Dies ist
immer dann der Fall, wenn mindestens einer der Transistoren 34 bis 44 gesperrt ist. Wird allen
Eingangsanschlüssen 134 bis 144 eine binäre Eins zugeführt, dann leiten sämtliche Transistoren 34 bis 44
und verbinden den Anschluß 46 mit Masse entsprechend
ίο dem Binärwert Null.
Liegt am Anschluß 46 der Binärwert Eins, dann leitet der Transistor 50. Wie bereits früher erwähnt, bedeutet
ein Binärwert Eins am Anschluß 46, daß mindestens einer der PMOS-Transistoren 34 bis 44 gesperrt ist.
Dieselben logischen Eingangssignale, welche diesen Zustand bewirken, werden auch den Steuerelektroden
der PMOS-Transistoren 52 bis 62 zugeführt. Daher ist mindestens einer dieser letztgenannten Transistoren
gesperrt. Der Anschluß 48 liegt also auf Massepotential und am Anschluß 46 entsteht das dazu komplementäre
Signal. Von Bedeutung ist, daß der Strom /Wv, der bei gleichen Logiksignalverhältnissen in der Schaltung
gemäß F i g. 1 fließt, bei der Schaltung nach F i g. 2 nicht fließt, wobei wiederum angenommen ist, daß vom
Anschluß 48 eine rein kapazitive Last angesteuert wird.
Hat das Signal am Anschluß 46 den Wert einer
binären Null, dann leiten sowohl sämtliche Transistoren 34 bis 44 als auch 52 bis 62. Der Transistor 50 ist dann
gesperrt, weil seine Steuerelektrode auf Massepotential liegt. Der Anschluß 48 ist mit dem am Anschluß 64
liegenden Potential — V verbunden und liefert wiederum das komplementäre Signal gegenüber dem Signal
am Anschluß 46. Wenn sämtliche Transistoren 52 bis 62 leiten, fließt ebenfalls kein Inverterstrom lisv, weil der
Transistor 50 gesperrt ist. Auf diese Weise erreicht man eine logische Inversion in einer Schaltung, welche nur
PMOS-Elemente enthält, ohne daß ein Inverterstrom fließt, außer bei einer Änderung des logischen Zustands.
Einer der Hauptvorteile eines CMOS-Inverters, nämlich
der niedrige Leistungsveibrauch, wird erreicht durch die Verwendung ausschließlich von Transistoren des
gleichen Leitungstyps. Die in F i g. 2 dargestellte Schaltung, bei welcher also kein Inverterstrom fließt,
führt die gleiche Funktion aus wie die Schaltung in Fig. 1, in der jedoch ein Inverterstrom für 63 aus
64 Eingangssignalkombinationen fließt.
Die erreichte Reduzierung des Leistungsverbrauchs hat eine Reihe von Vorteilen. Der niedrigere Leistungsverbrauch erlaubt eine höhere Packungsdichte, wenn
die Schaltungen in integrierter Form ausgebildet werden. Auch braucht die Stromversorgungsschaltung
nur einen geringeren Gesamtstrom zu liefern. Schließlich können die Transistoren 50 bis 62 die Schaltung
gemäß F i g. 2 vornehmlich hinsichtlich kurzer Schaltzeiten anstatt im Hinblick auf niedrige Verlustleistung
bemessen werden, so daß man auf unerwünschte Kompromisse verzichten kann, wie sie eingangs
erwähnt worden sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Schaltung zur Durchführung logischer Opeiationen mit Binärsignalen und deren Komplementär-Signalen
mit einer Torschaltung mit N Eingängen und einem Ausgang (N eine ganze Zahl größer 1), die
an ihrem Ausgang eine einen bestimmten Binärwert darstellende Spannung erzeugt, wenn ihren Eingängen
Signale eines ersten Binärwertes zugeführt werden, und die an ihrem Ausgang eine den anderen
Binärwert darstellende Spannung erzeugt, wenn eines der Eingangssignale dem zweiten Binärwert
entspricht, und mit einem mit seinem Eingang an den Ausgang der Torschaltung angeschlossenen Inverler,
dadurch gekennzeichnet, daß der Inverter N Transistoren (52,54, 56, 58, 60,62) eines
Leitungstyps ^enthält, deren Hauptstromstrecken in einem Stromkreis zwischen dem Ausgangsanschluß
(48) des Inverters und einem ersten Schaltungspunkt (64), dem eine dem anderen Binärwert entsprechende Spannung (- V) zugeführt
wird, geschaltet sind, daß die Steuerelektroden sämtlicher Transistoren jeweils entsprechend an
einen Eingang (134, 136, 138, 140, 142, 144) der Torschaltung angeschlossen sind, und daß ein
zusätzlicher Transistor (50) ebenfalls des einen Leitungstyps mit seiner Steuerelektrode an den
Ausgang (46) der Torschaltung angeschlossen ist und mit seiner Hauptstromstrecke zwischen den Ausgangsanschluß
(48) des Inverters und einen Punkt geschaltet ist, dem eine dem anderen Binärwert
entsprechende Spannung (Masse) zuführbar ist
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hauptstromstrecken der N
Transistoren (52,54,56,58,60,62) in Reihe zwischen
den ersten Schaltungspunkt (64) und den Ausgangsanschluß (48) des Inverters geschaltet sind.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle N Transistoren (52,54,56,
58,60,62) Isolierschicht-Feldeffekttransistoren sind.
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