DE2657281B2 - MIS inverter circuit - Google Patents
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Description
Bekannte MIS-Inverterschaltungen haben den Nachteil, daß bei bestimmten Pegeln der Eingangsspannung sich ein Gleichgewichtszustand ausbilden kann, bei dem die Ausgangsspannung im Undefinierten Bereich zwischen der logischen »0« und der logischen »1« liegt Bei diesem Gleichgewichtszustand fließt kein Umladestrom zu den Knotenkapazitäten. Auch in der Umgebung des Gleichgewichtszustands sind die Umladeströme sehr klein, so daß dieser kritische Bereich relativ langsam verlassen wird.Known MIS inverter circuits have the disadvantage that at certain levels of the input voltage A state of equilibrium can develop in which the output voltage is in the undefined range between the logical "0" and the logical "1" In this state of equilibrium, no recharging current flows to the node capacities. Also in the vicinity of the In the state of equilibrium, the charge reversal currents are very small, so that this critical area is relatively slow is left.
Die Erfindung beschäftigt sich mit einer bezüglich eines zweiphasigen Taktsystems getakteten MIS-Inver- bo terschaltung, d.h. mit einer Inverterschaltung, deren logischer Zustand nur während der beiden Taktimpulse des Taktsystems entsprechend einem logischen Eingangssignal sich ändern soll.The invention is concerned with an MIS inverter that is clocked with respect to a two-phase clock system circuit, i.e. with an inverter circuit whose logical state should only change during the two clock pulses of the clock system according to a logical input signal.
In integrierten Schaltungen oder auch bei Schaltungs- t>5 systemen mit derartigen Schaltungen besteht aber die Schwierigkeit daß der Eingangsimpuls bezüglich seiner Flankensteilheit und seiner Phasenlage zu den Taktsignalen des Taktsystems nur schwer festlegbar ist was beispielsweise auf Signallaufzeiten zurückgeführt werden kann.In integrated circuits or with circuit t> 5 systems with such circuits but the difficulty that the input pulse with respect to his Edge steepness and its phase relation to the clock signals of the clock system is difficult to determine what for example, can be traced back to signal propagation times.
Die Erfindung betrifft eine MIS-Inverterschaltung zur Erzeugung eines bezüglich eines zweiphasigen Taktsystems synchronisierten Pulses aus einem Eingangspuls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche MIS-Inverterschaltung war aus der DE-OS 2315 201 bekannt Bei dieser MIS-Inverterschaltung ist die Zuleitungselektrode des fünften MIS-Feldeffekttransistors über einen Lasttransistor mit der Spannungsversorgung verbunden. Der fünfte MIS-Feldeffekttransistor und der Lasttransistor stellen hierbei einen Inverter dar. Der Ausgang dieses Inverters ist über die Source-Drain-Strecke eines mit dem zweiten Taktsignal gesteuerten MIS-Feldeffekttransistors mit der Gate-Elektrode des zweiten MIS-Feldeffekttransistors verbunden.The invention relates to an MIS inverter circuit for generating a pulse that is synchronized with respect to a two-phase clock system from an input pulse according to the preamble of claim 1. Such an MIS inverter circuit was from DE-OS 2315 201 known In this MIS inverter circuit, the lead electrode of the fifth MIS field effect transistor is connected to the voltage supply via a load transistor. The fifth MIS field effect transistor and the load transistor represent an inverter The output of this inverter is one with the second clock signal via the source-drain path controlled MIS field effect transistor connected to the gate electrode of the second MIS field effect transistor.
Aufgabe der Erfindung ist eine demgegenüber schnellere MIS-Inverterschaltung mit geringerem Schaltungsaufwand zur Erzeugung eines bezüglich eines zweiph?sigen Taktsystems synchronisierten Pulses aus einem Eingangspuls, dessen Flankensteilheit und Phasenlage zum Taktsystem beliebig istThe object of the invention is a comparatively faster MIS inverter circuit with less Circuit complexity for generating a pulse synchronized with respect to a two-phase clock system an input pulse whose edge steepness and phase relation to the clock system is arbitrary
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Schaltungsmaßnahmen gelöstAccording to the invention, this object is achieved by those specified in the characterizing part of claim 1 Circuit measures solved
Die MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung hat im übrigen gegenüber der bekannten den Vorteil, daß bei der erstgenannten ein quasi-stabiler Gleichgewichtszustand vermieden ist, der sich dann ausbilden kann, wenn die Spannung an der Gate-Elektrode des zweiten MIS-Feldeffekttransistors der Serienschaltung annähernd gleich ist der Spannung an deren VerbindungspunktThe MIS inverter circuit according to the invention has im remaining over the known advantage that at the former a quasi-stable state of equilibrium is avoided, which can then develop when the voltage at the gate electrode of the second MIS field effect transistor of the series circuit is approximately equal to the voltage at its connection point
Die MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, derenThe MIS inverter circuit according to the invention is explained below with reference to the drawing, whose
F i g. 1 die Grundschaltung einer MIS-Inverterschaltung zeigt, von der bei der Erfindung ausgegangen wird, derenF i g. 1 shows the basic circuit of an MIS inverter circuit on which the invention is based, whose
F i g. 2 bis 4 Abwandlungen der MIS-Inverterschaltung gemäß der F i g. 1 betreffen, derenF i g. 2 to 4 modifications of the MIS inverter circuit according to FIG. 1 concern whose
F i g. 5 die Schaltungsanordnung einer ersten Ausführungsform der MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung, derenF i g. 5 shows the circuit arrangement of a first embodiment of the MIS inverter circuit according to the invention, the
F i g. 6 die Schaltungsanordnung einer zweiten Ausführungsform der MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung, derenF i g. 6 shows the circuit arrangement of a second embodiment of the MIS inverter circuit according to FIG Invention, whose
F i g. 7 die Schaltungsanordnung einer dritten Ausführungsform der MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung zeigen und derenF i g. 7 show the circuit arrangement of a third embodiment of the MIS inverter circuit according to the invention and its
Fig.8 zur Erläuterung der Funktionsweise der MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung dientFig. 8 to explain the functioning of the MIS inverter circuit according to the invention is used
Die Schaltungsanordnung gemäß der F i g. 1 zeigt einen bekannten getakteten Inverter mit den beiden über die Source-Drain-Strecken in Serie geschalteten MIS-Feldeffekttransistoren Γ2 und Γ3. An die Gate-Elektrode des zweiten MIS-Feldeffekttransistors T2, dessen Source-Elektrode an dem Bezugspotential Uss bzw. an Masse liegt, wird über die Source-Drain-Strecke eines ersten MIS-Feldeffekttransistors Tl das Eingangssignal bei fangelegt Das erste Taktsignal Φ 1 liegt an der Gate-Elektrode dieses ersten MIS-Feldeffekttransistors Ti. Mit der Spannungsquelle Udd sind sowohl die Drain-Elektrode als auch die Gate-Elektrode des als Lasttransistor wirksamen zweiten MIS-Feldeffekttransistors Γ3 der Serienschaltung verbunden. Das zweite Taktsignal Φ 2 erhält die Gate-Eiektrode desThe circuit arrangement according to FIG. 1 shows a known clocked inverter with the two MIS field effect transistors Γ2 and Γ3 connected in series via the source-drain paths. The input signal is applied to the gate electrode of the second MIS field effect transistor T2, whose source electrode is connected to the reference potential Uss or to ground, via the source-drain path of a first MIS field effect transistor Tl. The first clock signal Φ 1 is applied at the gate electrode of this first MIS field effect transistor Ti. Both the drain electrode and the gate electrode of the second MIS field effect transistor Γ3 of the series circuit, which acts as a load transistor, are connected to the voltage source Udd. The second clock signal Φ 2 receives the gate electrode of the
vierten MIS-Feldeffekttransistors TA, dessen Source-Drain-Strecke zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden die Serienschaltung bildenden MIS-Feldeffekttransitors T2 und Γ3 und dem Ausgang A liegt CI bedeutet die Ausgangskapazität der getakteten MIS-Inverterschaltung.fourth MIS field effect transistor TA, the source-drain path of which lies between the common connection point of the two MIS field effect transistors T2 and Γ3 forming the series circuit and output A CI means the output capacitance of the clocked MIS inverter circuit.
Zu jedem Verhältnis der 0-Werte der beiden MIS-Feldeffekttransistoren T2und Γ3At any ratio of the 0 values of the two MIS field effect transistors T2 and Γ3
β Tlβ Tl
wobei der Source-Drain-Stromwhere is the source-drain current
i = γ (Ua-i = γ (Ua-
1010
1515th
ist, gibt es an der Gate-Elektrode des MIS-Feldeffekttransistors T2 ein Ug, bei dem ein stationärer Fall mit Ua — Ug vorhanden ist, d. h. ein Fall mit vernachlässigbarem Kondensatorladestrom ic Dabei gilt h=h, welche Ströme in der F i g. 1 eingetragen sind. Dieser Zustand wird nur langsam entsprechend einem Eingangssignal Ue verlassen werden. Hier schafft die MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung Abhilfe.is, there is a Ug at the gate electrode of the MIS field effect transistor T2 in which there is a steady-state case with Ua - Ug , ie a case with a negligible capacitor charging current ic where h = h, which currents in FIG. 1 are registered. This state is left only slowly in accordance with an input signal Ue . The MIS inverter circuit according to the invention provides a remedy here.
Anstelle der zwischen den gestrichelten Linien 1 und 2 der F i g. 1 dargestellten MIS-Inverterschaltungsteile können auch solche gemäß den Fig.2 bis 4 in der MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung mit gewissen Vorteilen verwendet werden. Während bei der Inverterstufe gemäß der F i g. 3 das zweite Taktsignal Φ 2 auch noch an die Gate-Elektrode des an der Spannungsversorgung Udd liegenden dritten MIS-Feldeffekttransistors liegt, wird bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig.2 noch ein weiterer MIS-Feldeffekttransistor T6, dessen Gate-Elektrode an der Spannungsversorgung Udd liegt, zv/ischen dem dritten MIS-Feldeffekttransistor Γ3 eingefügtInstead of the between the dashed lines 1 and 2 of FIG. 1, MIS inverter circuit parts shown in FIGS. 2 to 4 can also be used in the MIS inverter circuit according to the invention with certain advantages. While in the inverter stage according to FIG. 3, the second clock signal Φ 2 also is not applied to the gate electrode of lying on the supply voltage Udd third MIS field effect transistor, according to Figure 2, a further MIS field effect transistor T6, is the gate electrode thereof to the power supply Udd in the circuit arrangement , zv / ischen inserted into the third MIS field effect transistor Γ3
Die F i g. 4 zeigt einen MlS-Inverterschaltungsteil mit einem komplementären Paar von MIS-Feldeffekttransistören T2 und Γ3, an dessen gemeinsamen Verbindungspunkt ein Übertragungsgatter mit zwei parallelgeschalteten MIS-Feldeffekttransistoren Tl und TS liegt, an deren Gate-Elektroden das zweite Taktsignal Φ 2 angelegt wird.The F i g. 4 shows an MIS inverter circuit part with a complementary pair of MIS field effect transistors T2 and Γ3, at whose common connection point there is a transmission gate with two MIS field effect transistors Tl and TS connected in parallel, to whose gate electrodes the second clock signal Φ 2 is applied.
Bei der ersten Ausführungsform der MIS-Inverterschaltung narh der Erfindung gemäß der F i g. 5, bei der von der MIS-Inverterschaltung der F i g. 1 ausgegangen wird, ist der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden MIS-Feldeffekttransistoren Γ2 und Γ3 mit der Gate-Elektrode eines fünften MIS-Feldeffekttransistors TS verbunden, dessen Source-Drain-Strecke zwischen der Gate-Elektrode des zweiten MIS-Feldeffekttransistors ΤΪ der Serienschaltung Tl und Γ3 und dem Bezugspotential Uss liegt Durch diesen fünften MIS-Feldeffekttransistor T5, der als Entladetransistor am Gate des zweiten MIS-Feldeffekttransistors wirksam ist erhält die MIS-Inverterschaltung gemäß der F i g. 1 eine Vorzugslage.In the first embodiment of the MIS inverter circuit according to the invention according to FIG. 5, in which the MIS inverter circuit of FIG. 1 is assumed, the common connection point of the two MIS field effect transistors Γ2 and Γ3 is connected to the gate electrode of a fifth MIS field effect transistor TS , whose source-drain path between the gate electrode of the second MIS field effect transistor ΤΪ of the series circuit Tl and Γ3 and the reference potential Uss . This fifth MIS field effect transistor T5, which acts as a discharge transistor at the gate of the second MIS field effect transistor, provides the MIS inverter circuit according to FIG. 1 a preferred position.
Bei bevorzugter Anwendung mit einer nachfolgenden digitalen Differenzierschaltung sind folgende Bedingungen einzuhalten:In the case of a preferred application with a subsequent digital differentiating circuit, the following conditions apply to be observed:
a) Der Ausgangswiderstand des am Eingang E liegenden Inverters G 1 muß so klein sein, daß trotz b5 des leitenden MIS-Feldeffekttransistors TS der MIS-Feldeffekttransistors T2 eine zum Durchschauen genügend höhe Eingangsspännung erhält.a) The output resistance of the inverter G 1 connected to the input E must be so small that, despite b5 of the conductive MIS field effect transistor TS, the MIS field effect transistor T2 receives an input voltage that is sufficiently high to see through.
b) Der aus den MIS-Feldeffekttransistoren Γ2, Γ3, TA und TS bestehende Schaltungsteil muß schnell genug ausgelegt sein, so daß er innerhalb der Taktimpulsdauer den Endzustand der logischen »0« oder logischen »1« annimmtb) The circuit part consisting of the MIS field effect transistors Γ2, Γ3, TA and TS must be designed to be fast enough so that it assumes the final state of logic "0" or logic "1" within the clock pulse duration
Die MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung gemäß der F i g. 5 kann unter Verwendung der in den Fig.2 bis 4 gezeigten MIS-Inverterschaltungsteile abgewandelt werden. Am Ausgang A ist der mit dem Taktsignal Φ1 gesteuerte Ausgangsinverter C 2 geschaltet The MIS inverter circuit according to the invention as shown in FIG. 5 can be modified using the MIS inverter circuit parts shown in FIGS. The output inverter C 2 controlled by the clock signal Φ1 is connected to the output A.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß der F i g. 5 ist nach der obengenannten Bedingung a) ein Inverter G1 mit kleinem Ausgangswiderstand erforderlich. Dieser Nachteil wird bei der Schaltungsanordnung gemäß der F i g. 6 durch Einfügung eines MIS-Feldeffekttransistors Γ6, an dessen Gate-Elektrode das Taktsignal Φ 2 angelegt wird, in Serienschaltung zum fünften MIS-Feldeffekttransistors T5 vermieden. Damit ist die Verwendung eines einfachen Standard-Inverters geringer Leistung für den Inverter GX möglich, da keine Ladung abfließen kann, während der zwischen dem Inverter GI und der Gate-Elektrode des zweiten MIS-Feldeffekttransistors T2 liegenden MIS-Feldeffekttransistor Γ1 leitend ist Die bei er MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung bewirkte Mitkopplung wird daher erst wirksam wenn der MIS-Feldeffekttransistor T6 leitend istIn the circuit arrangement according to FIG. 5, an inverter G1 with a low output resistance is required according to the above condition a). This disadvantage is in the circuit arrangement according to FIG. 6 by inserting an MIS field effect transistor Γ6, to the gate electrode of which the clock signal Φ 2 is applied, avoided in series with the fifth MIS field effect transistor T5. This makes it possible to use a simple standard low-power inverter for the inverter GX , since no charge can flow away while the MIS field effect transistor Γ1 lying between the inverter GI and the gate electrode of the second MIS field effect transistor T2 is conductive MIS inverter circuit according to the invention caused positive feedback is therefore only effective when the MIS field effect transistor T6 is conductive
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 7 einer MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung sind die Gate-Elektroden der beiden MIS-Feldeffekttransistoren T2 und T3 des Inverterschaltungsteils über den Inverter G 3 verbunden. Dies hat den Vorteil, daß die über den fünften MIS-Feldeffekttransistor TS erzielte Mitkopplungswirkung am schnellsten wirksam wird. Dieser Inverter G 3 wird vorzugsweise in Form einer Serienschaltung zweier weiterer MIS-Feldeffekttransistoren in üblicher Weise realisiertIn the embodiment according to FIG. 7 of an MIS inverter circuit according to the invention, the gate electrodes of the two MIS field effect transistors T2 and T3 of the inverter circuit part are connected via the inverter G 3. This has the advantage that the positive feedback effect achieved via the fifth MIS field effect transistor TS becomes effective the fastest. This inverter G 3 is preferably implemented in the conventional manner in the form of a series connection of two further MIS field effect transistors
Obwohl bei der Schaltungsanordung gemäß der F i g. 6 ein relativ hochohmiger Inverter G1 am Eingang E verwendet werden kann, ist eine MIS-Inverterschaltung gemäß der F i g. 5 schneller, da die Mitkopplungswirkung des Schaltungsteils mit den MIS-Feldeffekttransistoren T2, T3 und 7"5 schon bei Beginn des Taktsignals Φ 1 einsetzt.Although in the circuit arrangement according to FIG. 6, a relatively high-resistance inverter G1 can be used at input E , is an MIS inverter circuit according to FIG. 5 faster, since the positive feedback effect of the circuit part with the MIS field effect transistors T2, T3 and 7 "5 starts at the beginning of the clock signal Φ 1.
Zur Erläuterung der bei der MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung erzielten Mitkopplung sind in der F i g. 8 die beiden Taktsignale Φ1 und Φ 2 des Taktsystems in zeitlicher Reihenfolge aufgetragen. Darunter ist ein Eingangssignal Ue mit relativ geringer Flankensteilheit eingezeichnet, dessen Vorderflanke noch in den Taktbereich des Taktsignals Φ 1 fällt so daß ein Signa! an der Gate-Elektrode des MIS-Feldeffekttransistors 7"2 auftritt Dadurch wird das Potential am gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden MIS-Feldeffekttransistoren T2 und T3 zwar abgesenkt, an dem gemeinsamen Verbindungspunkt liegt aber solange keine eindeutige logische »0« an, als die Schwellspannung des MIS-Feldeffekttransistors TS nicht unterschritten und dieser damit sperrend wird. Von der Gate-Elektrode E' des MIS-Feldeffekttransistors T2 kann daher die während des Taktimpulses Φ 1 im ansteigenden Teil des Eingangssignals Ue noch aufgebrachte Ladung wieder abfließen, so daß sich ein Ausgangssignal Ua mit einer eindeutigen logischen »0« gemäß der F i g. 8 solange einstellt, bis sich der nächste Püis des Takti-.pulssigr.als Φ 1 einstelltTo explain the positive feedback achieved in the MIS inverter circuit according to the invention, FIG. 8 the two clock signals Φ1 and Φ 2 of the clock system plotted in chronological order. Underneath is an input signal Ue with a relatively low edge steepness, the leading edge of which still falls within the clock range of the clock signal Φ 1 so that a Signa! occurs at the gate electrode of the MIS field effect transistor 7 "2. As a result, the potential at the common connection point of the two MIS field effect transistors T2 and T3 is reduced, but there is no clear logical" 0 "at the common connection point as long as the threshold voltage of the MIS field effect transistor TS is not undershot and this is therefore blocked. Therefore, the charge still applied during the clock pulse Φ 1 in the rising part of the input signal Ue can flow away again from the gate electrode E 'of the MIS field effect transistor T2 , so that an output signal Ua with an unambiguous logical "0" according to FIG. 8 until the next pulse of the tactical pulse signal is set as Φ 1
Aufgrund dieses Verhaltens ist eine MIS-Inverterschaltung nach der Erfindung von besonderem Vorteil bei digitalen Differenzierschaltungen, da die Flanke eines Eingangssignals Ue im »Graubereich« zwischen einer logischen »0« und einer logischen »1« nicht differenziert wird.Because of this behavior, an MIS inverter circuit according to the invention is of particular advantage in digital differentiating circuits, since the edge of an input signal Ue in the “gray area” between a logical “0” and a logical “1” is not differentiated.
Die MIS- Inverterschaltung nach der Erfindung kann in jeder zur Herstellung von integrierten MIS-Schaltungen geeigneten Technik, der MOS-, der CMOS- oder auch der Siliciumgate-Technik, realisiert werden.The MIS inverter circuit according to the invention can be used in any for the production of MIS integrated circuits suitable technology, the MOS, the CMOS or the silicon gate technology.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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