JP2000312136A - フリップフロップ回路 - Google Patents

フリップフロップ回路

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JP2000312136A JP11120987A JP12098799A JP2000312136A JP 2000312136 A JP2000312136 A JP 2000312136A JP 11120987 A JP11120987 A JP 11120987A JP 12098799 A JP12098799 A JP 12098799A JP 2000312136 A JP2000312136 A JP 2000312136A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 素子数を削減して回路面積の縮小に寄与し得
るフリップフロップ回路を得る。 【構成】 負性微分抵抗素子1と素子電流の値を制御で
きる制御端子を有した負性微分抵抗素子2とからなる直
列回路8と、転送ゲート9、負性微分抵抗素子4及び5
の直列接続からなるラッチ回路10と、FET6を駆動
素子とし負性微分抵抗素子7を負荷素子としたインバー
ター回路11とから構成される。直列回路8の電源端子
DD1及び転送ゲート9の制御端子にクロック信号CL
Kを加え、負性微分抵抗素子2の制御端子に入力信号
(IN)を加えることにより、端子OUT3を出力とす
るDフリップフロップ回路が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はフリップフロップ回
路に関し、特に半導体記憶装置あるいは種々の半導体集
積回路装置に搭載されるフリップフロップ回路に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】負性微分抵抗素子の機能性を用い、少な
い素子数で構成されたフリップフロップ回路が明吉らに
より提案されている。この回路については、特開平9−
162705号公報に開示されている。この従来のフリ
ップフロップ回路の構成と動作を、その構成図をもとに
簡単に説明する。図5に従来のDフリップフロップ回路
の構成図を示す。この従来の回路において、2,12,
18及び19は素子電流の値を制御する端子を有する負
性微分抵抗素子、1及び13は負性微分抵抗素子、8,
16及び20はそれぞれ負性微分抵抗素子1と2、12
と13及び18と19からなる直列回路である。
【0003】端子SS1、SS2及びSS6は接地され
ており、直列回路8及び16の電源端子DD1とDD2
にはクロック信号に同期した振動電圧が供給される。一
方、直列回路20の電源端子DD6には一定電圧が印加
される。負性微分抵抗素子2及び12の制御端子には入
力信号が加えられ、全体の回路出力は直列回路20の端
子OUT5より取り出される。
【0004】図6に直列回路8の動作を示す負荷曲線を
示す。素子2のピーク電流値は入力と信号レベルにより
制御できるが、いま入力信号がハイレベル(以下、単に
ハイと略記する)のとき、素子2のピーク電流が素子1
のそれよりも大きく、入力信号がローレベル(以下、単
にローと略記する)のときは、逆に素子2のピーク電流
が素子1のそれよりも小さくなるように各素子の特性を
設定する。
【0005】クロック信号がローのとき、図6(a)に
示すように、端子OUT1の電位は入力電圧にかかわら
ずローである。クロックがハイになると端子DD1の電
位が上昇し、負荷曲線は図6(b)もしくは(c)のよ
うになり、端子OUT1の電位はローとハイの双安定状
態となる。ここで、図6(b)に示すように、入力信号
がハイで素子2のピーク電流が素子1のそれよりも大き
い場合、端子OUT1はローとなり、逆に入力信号がロ
ーの時は図6(c)のように端子OUT1はハイとな
る。一旦、端子OUT1の電圧レベルが確定すれば、こ
の状態はクロックがハイの間は入力が変化しても保持さ
れる。すなわち、クロックの立ち上がり時における入力
の反転値が端子OUT1に現れる。
【0006】一方、直列回路16では、入力信号がハイ
のとき、素子12のピーク電流が素子13のそれよりも
大きく、ローのときは逆に小さくなるように素子特性を
設定すると、クロックの立ち上がり時に端子OUT2に
は入力と同相の信号が出力され、それがクロックの立ち
上がりの間保持される。
【0007】図7は直列回路20の負荷曲線を示す。直
列回路20は一定電圧の電源で駆動されている。素子1
8及び19の制御端子Y1,Y2がともにローのとき、
図7(a)のように、出力端子OUT5の電位は双安定
のラッチ動作を行う。ここで、素子18の制御端子Y1
のみハイになると、図7(b)に示すように出力電圧は
ハイとなり、この後、制御端子Y1の電位がローに戻る
と、出力にはハイ状態が保持される。一方、素子19の
制御端子Y2が一旦ハイになると、図7(c)に示すよ
うに出力電圧はローとなり、制御端子Y2の電位がロー
に戻っても出力はロー状態を保持する。
【0008】さて、直列回路8の出力端子OUT1は直
列回路20の素子19の制御端子Y2に接続され、一
方、直列回路8の出力端子OUT2は直列回路20の素
子18の制御端子Y1に接続されている。いま、入力電
圧がハイのとき、クロックの立ち上がりで、直列回路1
6の出力はハイ、直列回路8の出力はローとなるので、
直列回路20の出力端子OUT1はハイとなる。クロッ
クがハイの間に入力が変化しても端子OUT1とOUT
2の状態はかわらず、従って出力電位は保持されてい
る。
【0009】さらに、クロックが立ち下がって、端子O
UT1とOUT2の電位がともにローとなっても、直列
回路20は出力電圧を保持している。同様にクロックの
立ち上がり時に入力信号がローのとき、出力端子OUT
5の電位もローとなり、次回のクロックの立ち上がりま
で、その状態が保持される。すなわち、この回路はポジ
ティブエッジトリガ型のDフリップフロップとなる。
【0010】この回路において、1及び13の負性微分
抵抗素子として共鳴トンネルダイオード、2,12,1
8及び19の素子電流の値を制御する端子を有する負性
微分抵抗素子として、共鳴トンネルダイオードと電界効
果トランジスタ(FET)の並列接続構造を用いると、
素子数は10個となり、FETのみで構成した回路に比
べて著しく少なくすることができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】従来例において、負性
微分抵抗素子の機能性を利用することにより、トランジ
スタのみで構成する場合に比較して大幅な素子数の低減
をはかることができる。しかしながら、近年の半導体記
憶装置及び半導体集積回路装置では、ますます高集積化
及び大規模化が必要となっている。従って、このような
半導体記憶装置及び半導体集積回路装置に多数搭載され
るフリップフロップ回路の素子数及び回路面積をさらに
縮小することが必要となっている。また、その消費電力
も極力低減できることが望ましい。
【0012】本発明の目的は、素子数をより低減し、回
路面積の縮小に寄与し得るフリップフロップ回路を提供
することである。また、本発明の他の目的は消費電力を
より低減できるフリップフロップ回路を提供することで
ある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、直列接
続点において互いの一端同士が共通接続された第1及び
第2の負性微分抵抗素子からなり、少なくとも前記第2
の負性微分抵抗素子が素子電流の値を制御可能な制御端
子を有し、前記直列接続点が出力端子とされた第1の直
列回路と、前記第1の直列回路の動作電源としてクロッ
ク信号に同期した振動電圧を供給する振動電圧供給手段
と、ラッチ回路と、前記第1の直列回路の出力端子と前
記ラッチ回路との間に設けられ、前記クロック信号によ
りオンオフ制御される転送ゲートと、前記ラッチ回路に
接続されたインバータ回路とを含み、前記第2の負性微
分抵抗素子の制御端子に入力信号を加え、前記インバー
タ回路の出力を出力信号とすることを特徴とするフリッ
プフロップ回路が得られる。
【0014】また、本発明によれば、直列接続点におい
て互いの一端同士が共通接続された第3及び第4の負性
微分抵抗素子からなり、少なくとも前記第3の負性微分
抵抗素子が素子電流の値を制御可能な制御端子を有し、
前記直列接続点が出力端子とされた第2の直列回路と、
前記第2の直列回路の動作電源としてクロック信号に同
期した振動電圧を供給する振動電圧供給手段と、ラッチ
回路と、前記第2の直列回路の出力端子と前記ラッチ回
路との間に設けられ、前記クロック信号によりオンオフ
制御される転送ゲートと、前記ラッチ回路に接続された
バッファ回路とを含み、前記第3の負性微分抵抗素子の
制御端子に入力信号を加え、前記バッファ回路の出力を
出力信号とすることを特徴とするフリップフロップ回路
が得られる。
【0015】そして、前記ラッチ回路は、基準電位と電
源電位との間に直列接続された第5及び第6の負性微分
抵抗素子からなることを特徴とし、また前記第1及び第
4の負性微分抵抗素子は共鳴トンネルダイオードであ
り、前記第2及び第3の負性微分抵抗素子は共鳴トンネ
ルダイオードとFET素子の並列接続構成であることを
特徴とする。
【0016】更に、前記振動電圧供給手段は、前記第1
または第2の直列回路の動作電源として直接これ等直列
回路の電源端子に前記クロック信号を供給するようにし
たことを特徴とし、また前記振動電圧供給手段は、前記
クロック信号に同期してオンオフ制御されるFET素子
を介して前記第1または第2の直列回路の動作電源を供
給するようにしたことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照しつつ本発明の
実施例を説明する。図1は本発明の第1の実施例の回路
図を示す図であり、図1において図5と同じ記号は図5
と同等の機能を果たすものである。この図1の回路にお
いては、第1の直列回路8と、転送ゲート9と、ラッチ
回路10と、インバータ回路11とが、入力INと出力
OUT3との間にこの順に接続されている。
【0018】第1の直列回路8は、第1の負性微分抵抗
素子1と、素子電流の値を制御できる制御端子を有した
第2の負性微分抵抗素子2との直列接続構成であり、第
1の負性微分抵抗素子1の一端は直列接続点である出力
端子OUT1に、他端は電源端子DD1に夫々接続され
ている。また、第2の負性微分抵抗素子2の一端は直列
接続点である出力端子OUT1に、他端は接地端子SS
1に夫々接続されている。そして、第2の負性微分抵抗
素子2の制御端子に入力端子INへの入力信号が供給さ
れており、電源端子DD1にはクロック信号CLKが印
加されている。
【0019】転送ゲート9はFET素子3からなってお
り、その制御端子にはクロック信号CLKが印加されて
いる。
【0020】ラッチ回路10は負性微分抵抗素子4及び
5の直列接続構成であり、負性微分抵抗素子4の一端は
直列接続点であるXに、他端は電源端子DD3に夫々接
続されている。また、負性微分抵抗素子5の一端は直列
接続点である直列接続点Xに、他端は接地端子SS3に
夫々接続されている。
【0021】インバータ回路11は、FET素子6を駆
動素子とし負性微分抵抗素子7を負荷素子とした構成で
あり、FET素子6の一端は回路出力OUT3に、他端
は接地端子SS4に夫々接続されている。また、負性微
分抵抗素子7の一端は回路出力OUT3に、他端は電源
端子DD4に夫々接続されている。
【0022】以下の説明では、負性微分抵抗素子1,
4,5及び7として共鳴トンネルダイオード、第2の負
性微分抵抗素子2として共鳴トンネルダイオードとFE
Tとの並列接続構成、転送ゲートを構成する素子3及び
素子6としてNチャンネルFETを、夫々用いた例につ
いて説明する。
【0023】直列回路8の電源端子DD1及び転送ゲー
トのトランジスタ3の制御端子にクロック信号CLKが
印加される。図6で示したように、クロック信号の立ち
上がりにおいて、入力の反転信号が端子OUT1に出力
される。クロック信号がハイになると転送ゲート9が開
き、端子OUT1の電位がラッチ回路10の端子Xに伝
送される。このとき、ラッチ回路を構成する負性微分抵
抗素子4と5の電流レベルを直列回路8や転送ゲート9
を構成する素子のそれらよりも十分小さくすることによ
り、転送ゲートが開いている間は、ラッチ回路の影響を
受けずに、端子OUT1に出力された電位が端子Xに伝
送される。
【0024】端子Xの電位は最終段のインバータ回路1
1により再び反転され、出力端子OUT3には入力信号
と同相の信号が出力される。従来例で示したように、ク
ロックがハイの間は、入力が変化しても端子OUT1の
電位は保持される。端子OUT1の電位が端子Xに伝送
されると、転送ゲートのトランジスタ3はカットオフ状
態となる。
【0025】次にクロックが立ち下がると、端子OUT
1はローレベルになるが、同時に転送ゲートの制御端子
の電位もローレベルになり、転送ゲートのトランジスタ
はカットオフ状態が続き、転送ゲートは閉じたままであ
る。そのため、端子Xの電位はラッチ回路10により保
持され続け、その結果、インバータ回路の出力は、クロ
ックがローになっても以前の値を保持し続けることがで
き、本発明の回路においてもポジティブエッジトリガ型
のDフリップフロップが構成できる。本回路構成では、
素子数が従来例に比べ少なく、8個で構成できることに
なる。
【0026】ラッチ回路10は、転送ゲートのトランジ
スタがカットオフしているときに端子Xの電位を保持す
るのみで、最終段のインバ−タ回路の入力側の駆動は、
転送ゲ−トが開いているときに第1の直列回路の出力に
より直接なされる。そのため、ラッチ回路10を構成す
る負性微分抵抗素子4及び5の電流レベルをラッチ動作
が保証されるかぎりにおいて極力小さくしても、回路全
体の動作速度は影響を受けない。
【0027】図2に転送ゲートが閉じているときのラッ
チ回路の動作図を示す。負性微分抵抗素子5の特性曲線
に、次段のインバータ回路の入力回路及びカットオフし
ている転送ゲートのトランジスタ3のリーク電流が重畳
される。ラッチ動作をするには、これらのリーク電流と
負性微分抵抗素子5のバレイ電流の和が負性微分抵抗素
子4のピーク電流よりも小さければ良い。換言すれば、
素子4及び5の電流レベルは前記のリ−ク電流レベルま
で小さくすることができ、ラッチ回路の消費電力は極め
て低く抑えることが可能となる。
【0028】図3に本発明の第2の実施例の回路図を示
す。図3において、図1及び図5と同じ記号は図1と図
5と同等の機能を果たすものである。この図3の回路に
おいては、第2の直列回路16と、転送ゲート9と、ラ
ッチ回路10と、バッファ回路17とが、入力INと出
力OUT4との間にこの順に接続されている。尚、図1
に示した第1の実施例の回路と同等部分の構成について
はその説明を省略するものとする。
【0029】第2の直列回路16は、素子電流の値を制
御できる制御端子を有した第3の負性微分抵抗素子12
と、負性微分抵抗素子13との直列接続構成であり、負
性微分抵抗素子12の一端は直列接続点である出力端子
OUT2に、他端は電源端子DD2に夫々接続されてい
る。また、負性微分抵抗素子13の一端は直列接続点で
ある出力端子OUT2に、他端は接地端子SS1に夫々
接続されている。そして、負性微分抵抗素子12の制御
端子に入力端子INへの入力信号が供給されており、電
源端子DD1にはクロック信号CLKが印加されてい
る。
【0030】バッファ回路17は、FET素子14を駆
動素子としディプリーション型FET素子15を負荷素
子とした構成であり、FET素子14の一端は回路出力
OUT4に、他端は電源端子DD5に夫々接続されてい
る。また、FET素子15の一端は回路出力OUT4
に、他端は接地端子SS5に夫々接続されている。
【0031】以下の説明では、負性微分抵抗素子13,
4及び5として共鳴トンネルダイオード、負性微分抵抗
素子12として共鳴トンネルダイオードとFETとの並
列接続構成、転送ゲートを構成する素子3及び素子1
4,15としてNチャンネルFETを、夫々用いた例に
ついて説明する。
【0032】直列回路16の端子DD2及び転送ゲート
のトランジスタ3の制御端子にクロック信号CLKが印
加されている。従来例で説明したように、クロック信号
の立ち上がりにおいて、入力と同相の信号が端子OUT
2に出力される。クロック信号がハイになると転送ゲー
トが開き、端子OUT2の電位がラッチ回路10の端子
Xに伝送される。このときラッチ回路を構成する負性微
分抵抗素子4と5の電流レベルを、直列回路16や転送
ゲート9を構成する素子のそれらよりも十分小さくする
ことにより、転送ゲートが開いている間は、ラッチ回路
の影響を受けずに、端子OUT2に出力された電位が端
子Xに伝送される。
【0033】端子Xの電位は最終段のバッファ回路17
を経て出力される。従来例で示したように、クロックが
ハイの間は、入力が変化しても端子OUT2の電位は保
持される。端子OUT2の電位が端子Xに伝送される
と、転送ゲートのトランジスタ3はカットオフ状態とな
る。次にクロックが立ち下がると、端子OUT2はロー
レベルになるが、同時に転送ゲートの制御端子の電位も
ローレベルになり、転送ゲートのトランジスタはカット
オフ状態が続き、転送ゲートは閉じたままである。その
ため、端子Xの電位はラッチ回路10により保持され続
ける。その結果、バッファ回路の出力は、クロックがロ
ーになっても以前の値を保持し続けることができ、本発
明の回路においてもポジティブエッジトリガ型のDフリ
ップフロップが構成できることになる。
【0034】本回路構成においても、第1の実施例同
様、素子数が従来例に比べ少なく、8個で構成できる。
第1の実施例同様、本回路構成においてもラッチ回路1
0は転送ゲートのトランジスタがカットオフしていると
きに端子Xの電位を保持するのみで、最終段のバッファ
回路の入力側の駆動は、転送ゲ−トが開いているときに
第2の直列回路の出力により直接なされる。そのため、
ラッチ回路10を構成する負性微分抵抗素子4及び5の
電流レベルをラッチ動作が保証されるかぎりにおいて極
力小さくしても、回路全体の動作速度は影響を受けな
い。これにより、ラッチ回路の消費電力は極めて低く抑
えることが可能となる。
【0035】本発明の第1及び第2の実施例において
は、ラッチ回路として2個の負性微分抵抗素子で形成す
る例を示したが、これ以外にも例えば、負性微分抵抗素
子と抵抗の組合せでも同様の機能が実現できる。
【0036】また、本発明の実施例においては、第1及
び第2の直列回路をクロック信号と同期した振動電圧で
駆動するため、クロック信号を直接、直列回路に印加し
たが、図4(a)及び(b)に示すように、第1と第2
の直列回路の上側もしくは下側にFET21,22を夫
々付加し、クロック信号をこれ等FET21,22の制
御ゲ−トに印加しても同様の動作が得られる。
【0037】さらに、本発明の第1及び第2の実施例に
おいては負性微分抵抗素子として共鳴トンネルダイオー
ドとFETを用いた例を示したが、共鳴トンネルダイオ
ードの代わりに他の負性微分抵抗素子、例えばバンド間
トンネルダイオードを用いても同様の回路が構成でき
る。さらに、電流の値を制御できる制御端子を有する負
性微分抵抗素子として、例えば、馬場による特願平3−
196321号明細書(特開平5−41520号公報)
に開示のトンネルトランジスタを用いることも可能であ
る。
【0038】
【発明の効果】本発明の構成を用いることにより、従来
例に比べ、回路の素子数を低減でき、回路の占有面積に
して、約20%程度縮小することができる。さらに素子
数の低減に伴い、低消費電力特性が得られるとともに、
配線遅延時間が低減され、高速動作も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の回路図である。
【図2】図1の実施例を構成するラッチ回路の動作を説
明するための図である。
【図3】本発明の第2の実施例の回路図である。
【図4】本発明の実施例の回路における振動電圧の印加
方式の例を示す図である。
【図5】従来例を示す回路図である。
【図6】従来例及び本発明の第1の直列回路の動作を説
明するための図である。
【図7】従来例における直列回路の動作を説明するため
の図である。
【符号の説明】
1,2,4,5,7,12,13 負性微分抵抗素子 3,6,14,21,22 NチャンネルFET 8,16 直列回路 9 転送ゲ−ト 10 ラッチ回路 11 インバータ回路 15 ディプリーション型NチャンネルFET 17 バッファ回路 CLK クロック信号 IN データ入力端子 OUT1,2 直列回路の出力端子 OUT3 インバータ回路の出力端子 OUT4 バッファ回路の出力端子

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直列接続点において互いの一端同士が共
    通接続された第1及び第2の負性微分抵抗素子からな
    り、少なくとも前記第2の負性微分抵抗素子が素子電流
    の値を制御可能な制御端子を有し、前記直列接続点が出
    力端子とされた第1の直列回路と、 前記第1の直列回路の動作電源としてクロック信号に同
    期した振動電圧を供給する振動電圧供給手段と、 ラッチ回路と、 前記第1の直列回路の出力端子と前記ラッチ回路との間
    に設けられ、前記クロック信号によりオンオフ制御され
    る転送ゲートと、 前記ラッチ回路に接続されたインバータ回路とを含み、
    前記第2の負性微分抵抗素子の制御端子に入力信号を加
    え、前記インバータ回路の出力を出力信号とすることを
    特徴とするフリップフロップ回路。
  2. 【請求項2】 直列接続点において互いの一端同士が共
    通接続された第3及び第4の負性微分抵抗素子からな
    り、少なくとも前記第3の負性微分抵抗素子が素子電流
    の値を制御可能な制御端子を有し、前記直列接続点が出
    力端子とされた第2の直列回路と、 前記第2の直列回路の動作電源としてクロック信号に同
    期した振動電圧を供給する振動電圧供給手段と、 ラッチ回路と、 前記第2の直列回路の出力端子と前記ラッチ回路との間
    に設けられ、前記クロック信号によりオンオフ制御され
    る転送ゲートと、 前記ラッチ回路に接続されたバッファ回路とを含み、前
    記第3の負性微分抵抗素子の制御端子に入力信号を加
    え、前記バッファ回路の出力を出力信号とすることを特
    徴とするフリップフロップ回路。
  3. 【請求項3】 前記ラッチ回路は、基準電位と電源電位
    との間に直列接続された第5及び第6の負性微分抵抗素
    子からなることを特徴とする請求項1または2記載のフ
    リップフロップ回路。
  4. 【請求項4】 前記第1または第4の負性微分抵抗素子
    は共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求
    項1〜3いずれか記載のフリップフロップ回路。
  5. 【請求項5】 前記第2または第3の負性微分抵抗素子
    は共鳴トンネルダイオードとFET素子の並列接続構成
    であることを特徴とする請求項1〜4いずれか記載のフ
    リップフロップ回路。
  6. 【請求項6】 前記振動電圧供給手段は、前記第1また
    は第2の直列回路の動作電源として直接これ等直列回路
    の電源端子に前記クロック信号を供給するようにしたこ
    とを特徴とする請求項1〜5いずれか記載のフリップフ
    ロップ回路。
  7. 【請求項7】 前記振動電圧供給手段は、前記クロック
    信号に同期してオンオフ制御されるFET素子を介して
    前記第1または第2の直列回路の動作電源を供給するよ
    うにしたことを特徴とする請求項1〜5いずれか記載の
    フリップフロップ回路。
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