DE2640653C2

DE2640653C2 - Durch logische Verknüpfungsglieder gebildete bistabile Kippstufe

Info

Publication number: DE2640653C2
Application number: DE2640653A
Authority: DE
Inventors: Eric André Dipl.-Ing. Cernier Vittoz
Original assignee: Centre Electronique Horloger S.A., Neuenburg/Neuchâtel
Priority date: 1975-09-17
Filing date: 1976-09-09
Publication date: 1987-05-07
Also published as: JPS5946137B2; DE2640653A1; US4068137A; JPS5236454A; CH583483A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine durch logische Verknüpfungsglieder gebildete bistabile Kippstufe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine derartige bistabile Kippstufe ist aus dem Hauptpatent 22 57 256 bekannt.

Es ist bereits eine Anzahl von bistabilen Kippstufen mit komplementären Transistoren zur Verwendung in Frequenzteilerschaltungen bekannt. Hierbei können statische und dynamische Kippstufen unterschieden werden. Die statischen Kippstufen können dadurch erzielt werden, daß die logischen Gleichungen der Kippstufe direkt mit Hilfe von Verknüpfungsgliedern mit zwei Pegeln ausgeführt werden. Die Betriebsweise dieser Kippstufen ist sichergestellt, wenn die Frequenz eines dem Eingang der Kippstufe zugeführten Signals unterhalb eines Grenzwertes liegt. Eine einfach aufgebaute bistabile Kippstufe dieser Art (Literaturstelle ISSCC Digest, 1967, Seiten 52 und 53) umfaßt 16 Transistoren, doch erfordert diese bistabile Kippstufe zwei zueinander komplementäre Eingangssignale und weiterhin eignet sich der Aufbau dieser bistabilen Kippstufe schlecht für eine kompakte Integration.

Wenn lediglich ein einziger Eingang verwendet werden soll, so weist die einfachste dieser statischen bistabilen Kippstufen (DE-OS 22 27 702, Fig. 5) 19 Transistoren auf.

Bistabile Kippstufen zur Bildung von dynamischen Frequenzteilerschaltungen können dadurch erzielt werden, daß alle die Transistoren entfernt werden, die an den Umschaltvorgängen nicht teilnehmen. Derartige bistabile Kippstufen sind sehr viel einfacher, ihre Betriebs- Grenzfrequenz ist höher und ihr Leistungsverbrauch ist geringer, doch können sie nur dann betrieben werden, wenn die Arbeitsfrequenz über einem unteren Grenzwert in der Größenordnung von einigen kHz liegt.

Eine bistabile Kippstufe der eingangs genannten Art nach dem Hauptpatent 22 57 256 weist neun Transistoren auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bistabile Kippstufe der Hauptanmeldung so zu verbessern, daß sich keine untere Grenzfrequenz ergibt, ohne daß der Aufwand und der statische Leistungsverbrauch wesentlich vergrößert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der bistabilen Kippstufe ergibt sich gegenüber bekannten statischen bistabilen Kippstufen eine Verringerung der Anzahl der Transistoren, ohne daß sich eine untere Grenzfrequenz oder ein zusätzlicher statischer Leistungsverbrauch ergibt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird das aus dem Hauptpatent bekannte Prinzip des Fortlassens eines oder mehrerer Transistoren, die nicht an den Umschaltvorgängen teilnehmen, beibehalten, so daß der Betriebsleistungsverbrauch niedrig bleibt, doch werden einige der Transistoren derart beibehalten, daß sichergestellt ist, daß für einen der beiden Zustände der Eingangsgröße kein Knoten schwimmend ist, während für den zweiten Zustand dieser Eingangsgrößen ein oder mehrere Knoten schwimmen können. Die auf diese Weise vereinfachte bistabile Kippstufe arbeitet einwandfrei ohne untere Betriebsfrequenz, wobei die einzige Bedingung darin besteht, daß das Eingangssignal nur für eine kurze Dauer (impulsförmig) in dem zweiten Zustand verbleibt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die bistabile Kippstufe zur Bildung einer Frequenzteilerschaltung mit weiteren bistabilen Kippstufen mit abwechselnder dualer Form in Reihe geschaltet, d. h. mit bistabilen Kippstufen, die durch Vertauschen der n-Kanal und p-Kanal sowie der Polarität der Betriebsspannungen gebildet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der bistabilen Kippstufe,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise der ersten Ausführungsform,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der bistabilen Kippstufe,

Fig. 4 Impulsdiagramme zur Erläuterung der Betriebsweise der zweiten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der durch logische Verknüpfungsglieder gebildeten bistabilen Kippstufe dargestellt. Diese bistabile Kippstufe wurde ausgehend von einer bistabilen Kippstufe entwickelt, wie sie in Fig. 2 des Hauptpatentes DE-PS 22 57 256 gezeigt ist, die die Transistoren 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10, 12 und 13 umfaßt, denen vier Transistoren 14, 15, 18 und 19 hinzugefügt wurden, die dazu bestimmt sind, die stabilen Zustände aufrechtzuerhalten, wenn am Eingang ein NULL-Pegel anliegt. Diese vier Transistoren waren in der entsprechenden statischen bistabilen Kippstufe gemäß Fig. 1 der DE-PS 22 57 256 vorhanden, sie wurden lediglich nicht fortgelassen.
Fig. 2 zeigt die logischen Signale, die der bistabilen Kippstufe nach Fig. 1 entsprechen. Die voll durchgezogenen Linien stellen die durch die Transistoren aufrechterhaltenen Zustände dar, während die gestrichelten Linien die Zustände darstellen, die durch die Streukapazitäten an dem Knoten A oder E aufrechterhalten werden.
Wenn die positiven Impulse am Eingang I ausreichend kurz sind, arbeitet die bistabile Kippstufe einwandfrei ohne untere Grenzfrequenz. Andererseits wird, weil diese bistabile Kippstufe durch Fortlassen bestimmter Transistoren der entsprechenden bistabilen Kippstufe erzielt wurde (Transistoren 3, 6, 7, 11, 16 und 17 gemäß Fig. 1 des Hauptpatentes) der statische Stromverbrauch durch die sehr schwachen Leckströme der Transistoren bestimmt, weil keine weiteren leitenden Verbindungen zwischen dem positiven und dem negativen Pol der Betriebsspannung vorhanden sind.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der bistabilen Kippstufe. Die den Ausgangspunkt bildende dynamische bistabile Kippstufe, die durch die Transistoren 1, 2, 4, 5, 8, 9, 10, 12 und 13 gebildet ist, ist aus der Literaturstelle "Electronics Letters", 23. August 1973, Volume 9, Nr. 17, Fig. 1b, bekannt, wobei die Variablen B und C dieser bekannten Schaltung nach Fig. 1b den Variablen D bzw. E der Ausführungsform nach Fig. 3 entsprechen. Dieser bekannten Schaltung wurden die vier Transistoren 14, 15, 16 und 17 hinzugefügt, um die stabilen Zustände beizubehalten, wenn der Eingang I den logischen NULL-Pegel aufweist.
Fig. 4 zeigt die entsprechenden logischen Signale, die mit denen der Fig. 2 vergleichbar sind, wobei lediglich die Reihenfolge des Zurückkehrens auf den NULL-Pegel bei den Variablen B und E vertauscht ist.
Im folgenden wird die Betriebsweise der beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen näher erläutert.
Für die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der bistabilen Kippstufe wird von dem Zustand I = 0, A = 1, B = 0, D = 1, E = 0 ausgegangen. Entsprechend leiten die Transistoren 1, 5, 8, 10, 15 und 18, während die Transistoren 2, 4, 9, 12, 13, 14 und 19 gesperrt sind. Dieser Zustand ist stabil.
Wenn der Pegel am Eingang I den logischen EINS-Pegel annimmt, so werden die Transistoren 1 und 5 gesperrt, während die Transistoren 2 und 12 leitfähig werden. Weil die Transistoren 12 und 10 leitend sind, während die Transistoren 5 und 13 gesperrt sind, nimmt die Variable D den NULL-Pegel an. Der Übergang des Pegels von D auf NULL sperrt die Transistoren 8 und 18, während die Transistoren 9 und 19 leitfähig gemacht werden. Die Variable B nimmt daher den EINS-Pegel an, wodurch der leitfähige Zustand des Transistors 14 (parallel zum bereits leitenden Transistor 12) und die Sperrung des Transistors 15 (in Reihe mit dem bereits gesperrten Transistor 5) hervorgerufen wird. Dieser neue Zustand ist vorrübergehend stabil. Weil jedoch die Transistoren 1 und 4 gesperrt sind, ist der Knoten A schwimmend. Dieser Knoten verbleibt auf dem logischen EINS-Pegel, sofern die Leckströme nicht genügend Zeit haben, den Ladungszustand der Streukapazität des Knotens A wesentlich zu ändern. Dies trifft ebenfalls für den Knoten E (mit NULL-Pegel) zu, weil die Transistoren 8 und 5 gesperrt sind.
Wenn der Eingang I auf den NULL-Pegel zurückkehrt, werden die Transistoren 2 und 12 gesperrt, während die Transistoren 1 und 5 leitfähig werden. Der Knoten E wird über die Transistoren 5 und 9 auf den EINS-Pegel gebracht, so daß der Transistor 4 leitfähig gemacht wird, was jedoch keine Wirkung ergibt, weil der Transistor 2 gesperrt ist. Dieser Zustand ist unabhängig von den Leckströmen stabil.
Wenn der Eingang I erneut den EINS-Pegel annimmt, werden die Transistoren 1 und 5 gesperrt und die Transistoren 2 und 12 werden leitfähig. Weil der Transistor 4 bereits leitet, nimmt der Knoten A den NULL-Pegel an, so daß der Transistor 10 gesperrt wird, während der Transistor 13 leitend gemacht wird. Der Knoten D nimmt dann den EINS-Pegel an, wodurch eine Sperrung der Transistoren 9 und 19 hervorgerufen wird und die Transistoren 8 und 18 leitfähig gemacht werden. Der Knoten nimmt daher den NULL-Pegel an, wodurch der Transistor 14 blockiert wird (ohne Wirkung, weil der Transistor 12 leitend ist) und wodurch der Transistor 15 leitend gemacht wird (ohne Wirkung, weil der Transistor 5 gesperrt ist). Dadurch wird ein neuer vorrübergehend stabiler Zustand erreicht, für den der Knoten E schwimmend den EINS-Pegel aufweist (die Transistoren 5, 9 und 10 sind gesperrt).
Bei Rückkehr des Eingangs I auf den NULL-Pegel werden die Transistoren 1 und 5 wieder leitend, während die Transistoren 2 und 12 gesperrt werden. Der Knoten A nimmt den EINS-Pegel an, wodurch der Transistor 13 gesperrt und der Transistor 10 leitend gemacht wird. Weil die Transistoren 8 und 10 leitend sind, nimmt der Knoten E den NULL-Pegel an, so daß der Transistor 4 gesperrt wird (ohne Wirkung, weil der Transistor 2 bereits gesperrt ist). Auf diese Weise wird ein neuer stabiler Zustand erreicht, der zum Ausgangszustand identisch ist.
Während dieser Betriebsperiode hat die Eingangsvariable I ihren Pegel viermal gewechselt, während die Ausgangsvariable A nur zweimal ihren Pegel gewechselt hat. Damit wird mit der bistabilen Kippstufe eine Teilung durch zwei erzielt.
Der Leitfähigkeitszustand (C) oder Sperrzustand (B) jedes Transistors während dieser Betriebsperiode ist in der folgenden Tabelle dargestellt: °=c:260&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz25&udf54; &udf53;vu10&udf54;
Bei den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der bistabilen Kippstufe liefert der Knoten (A) ein Signal, das lange im Zustand EINS und kurzzeitig im Zustand NULL verbleibt. Dieses Signal kann zur Bildung einer Frequenzteilerstufe direkt dem Eingang einer weiteren bistabilen Kippstufe zugeführt werden, deren Schaltung die zu der Schaltung der ersten Stufe duale Form aufweist. Diese duale Schaltung wird bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 3 durch Vertauschen der n-Kanal- und p-Kanal-Transistoren sowie der Polaritäten der Betriebsspannungen erzielt.

Claims

1. Durch logische Verknüpfungsglieder gebildete bistabile Kippstufe, die beim Übergang von einem stabilen Zustand in den jeweils anderen stabilen Zustand Übergangszustände durchläuft und bei der die Verknüpfungsglieder eine einem Eingangsanschluß zugeführte Eingangsvariable mit einer Anzahl von von den Verknüpfungsgliedern gebildeten Ausgangsvariablen verknüpfen und jeweils durch Paare von n- bzw. p-MOS-FET-Transistoren gebildet sind, von denen die n-Kanal-Transistoren mit ihren Source-Elektroden mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle direkt bzw. über weitere n-Kanal-Transistoren verbunden sind, während die p-Kanal-Transistoren mit ihren Source- Elektroden mit dem positiven Pol dieser Spannungsquelle direkt bzw. über weitere p-Kanal-Transistoren verbunden sind, wobei die Transistoren des einen Typs eine aktive Last für die Transistoren des anderen Typs bilden, die bistabile Kippstufe als dynamische Folgeschaltung ausgebildet ist in dem für den Umschaltvorgang der Folgeschaltung auf die einzelnen stabilen Zustände und Übergangszustände nicht erforderliche Lasttransistoren (3, 6, 7, 11, 14, 15) der logischen Verknüpfungsglieder durch Kapazitäten (C _A, C _E, C _F, C _D ) ersetzt sind, fünf n-Kanal-Transistoren (2, 4, 8, 10, 12) und vier p-Kanal-Transistoren (1, 5, 9, 13) mit jeweils einer Source-Elektrode S, einer Gate-Elektrode G und einer Drain-Elektrode D vorgesehen sind, die in der folgenden Weise mit einem Eingang I einem Ausgang A und der positiven Klemme BP bzw. der negativen Klemme BN verbunden sind:
BP - S 1 - S 5 - S 13;
BN - S 2 - S 10;
D 8 - D 9 - G 4;
I - G 1 - G 2 - G 5 - G 12;
D 1 - D 4 - G 10 - G 13;
D 12 - D 13 - G 8 - G 9;
D 10 - S 12 - S 8;
D 5 - S 9; D 2 - S 4
nach Patent 22 57 256, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer semi-dynamischen Betriebsweise nur die für den Umschaltungsvorgang der Folgeschaltung nicht erforderlichen Lasttransistoren der logischen Verknüpfungsglieder fortgelassen und durch Kapazitäten ersetzt sind, die nicht an der Aufrechterhaltung des einen der beiden Ausgangszustände der bistabilen Schaltung beteiligt sind, daß zwei n-Kanal-Transistoren (14, 18) und zwei p-Kanal- Transistoren (15, 19) mit den im Oberbegriff genannten Schaltungspunkten in der folgenden Weise verbunden sind:
BP - S 19; BN - S 18;
D 13 - D 15 - D 14 - G 18 - G 19;
S 12 - S 14 - S 8;
D 5 - S 15;
D 19 - D 18 - G 14 - G 15
und außerdem verbunden ist:
A - D 1.

2. Kippstufe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer semi-dynamischen Betriebsweise nur die für den Umschaltvorgang der Folgeschaltung nicht erforderlichen Lasttransistoren der logischen Verknüpfungsglieder fortgelassen und durch Kapazitäten ersetzt sind, die nicht an der Aufrechterhaltung des einen der beiden Ausgangszustände der bistabilen Schaltung beteiligt sind, daß zwei n-Kanal-Transistoren (14, 16) und zwei p-Kanal-Transistoren (15, 17) mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Schaltungspunkten in der folgenden Weise verbunden sind:
BP - S 17;
D 13 - D 15 - D 14 - G 16 - G 17;
S 12 - S 14 - S 16;
D 5 - S 15;
D 17 - D 16 - G 15;
G 4 - G 14;
und außerdem verbunden sind:
BN - S 8; A - D 1.

3. Kippstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit weiteren Kippstufen mit abwechselnder dualer Form zur Bildung einer Frequenzteilerschaltung in Reihe geschaltet ist.