JP2000353939A - クロック信号同期式フリップフロップ回路 - Google Patents

クロック信号同期式フリップフロップ回路

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JP2000353939A
JP2000353939A JP11164064A JP16406499A JP2000353939A JP 2000353939 A JP2000353939 A JP 2000353939A JP 11164064 A JP11164064 A JP 11164064A JP 16406499 A JP16406499 A JP 16406499A JP 2000353939 A JP2000353939 A JP 2000353939A
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Shigehito Tameda
茂仁 溜田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フリップフロップ回路で構成されたシステム
により高速動作が要求された場合のタイミング設計を容
易にすると共に、高速クロックサイクルに伴う消費電力
を低減し、さらにクロック信号供給用配線の占有面積の
削減を図る。 【解決手段】 開示されるクロック信号同期式フリップ
フロップ回路は、フリップフロップ回路の内部に、デー
タを入力してこのデータの状態変化を検出して第1の所
定時間t1遅延させた第1の遅延データを出力する第1
の遅延回路21と、その第1の遅延データと入力データ
との排他的論理和をとって出力する排他的論理和回路2
2と、この排他論理和回路22の出力データを第2の所
定時間t2遅延させた第2の遅延データをクロック信号
CK及び反転クロック信号/CKとして出力する第2の
遅延回路23とから構成されたクロック信号発生回路部
3を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、クロック信号同
期式フリップフロップ回路に係り、詳しくは、クロック
信号を各フリップフロップ回路に供給する場合に生ずる
問題の解決を図るクロック信号同期式フリップフロップ
回路に関する。
【0002】
【従来の技術】フリップフロップ回路は、コンピュータ
システムを初めとする各種の情報処理装置の記憶回路と
して広く用いられている。このフリップフロップ回路
は、大別して、クロック信号に無関係に動作するクロッ
ク信号非同期式と、クロック信号に同期して動作するク
ロック信号同期式に分けられる。フリップフロップ回路
は、通常複数個を多段に接続して用いられることが多い
が、このような用途では、後者は前者に比較して、安定
性に優れているので、専らクロック信号同期式のものが
採用されている。また、フリップフロップ回路は各種の
型が知られているが、得にマスタスレーブ型フリップフ
ロップ回路は、入力されたデータを確実に各段にシフト
させて出力させる動作を行うことができるので、好んで
用いられている。
【0003】図7は、従来のフリップフロップ回路の構
成を示すブロック図である。複数のフリップフロップ回
路51A、51B、51C、…51Nは多段に接続され
て、各フリップフロップ回路51A、51B、51C、
…51Nにはクロック信号発生回路52で発生されたク
ロック信号CKが供給されるように構成されている。こ
こで、各フリップフロップ回路51A、51B、51
C、…51N及びクロック信号発生回路52は、半導体
集積回路として1つの半導体チップに組み込まれてい
て、従来では、全てのフリップフロップ回路51A、5
1B、51C、…51Nが、共通のクロック信号発生回
路52からのタイミング的に固定された1つのクロック
信号CKに同期して動作する、完全クロック同期式の論
理設計が主流になっている。
【0004】上述の構成で、第1段のフリップフロップ
回路51Aの入力端子53に入力されたデータは、クロ
ック信号CKに同期して順次に第2段のフリップフロッ
プ回路51B、第3段のフリップフロップ回路51C、
…にシフトされて、最終的に第N段のフリップフロップ
回路51Nの出力端子54から出力されるようになって
いる。図8は、上述のフリップフロップ回路の動作を具
体的に説明するタイミングチャートである。クロック信
号発生回路52からは、クロック信号CKが常時一定の
タイミングで出力されている。入力端子53からのデー
タDATAが入力されたとすると、このデータDATA
はクロック信号CKに同期して順次に各フリップフロッ
プ回路51A、51B、51C、…にシフトされて、最
終的に出力端子54から出力されることになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のクロ
ック信号同期式フリップフロップ回路では、次のような
問題がある。第1の問題は、フリップフロップ回路で構
成されているシステムに、より高速動作が要求されてく
るのに伴って、より高速のクロックサイクルが必要にな
ってくると、タイミング設計が非常に困難になってく
る、ということである。第2の問題は、クロックサイク
ルが高速になってくると、クロック信号に依存する消費
電力の増大が避けられない、ということである。第3の
問題は、フリップフロップ回路が組み込まれている半導
体集積回路が大規模・高集積化されてくると、半導体集
積回路に配置されるフリップフロップ回路の数が必然的
に多くなり、これら多数のフリップフロップ回路に対す
るクロック信号供給用配線の占有面積が増大する、とい
うことである。
【0006】従来において、内部にクロック信号発生回
路を内蔵させた半導体集積回路が、例えば特開平1−0
53177号公報に開示されている。同公報記載の半導
体集積回路は、フリップフロップ回路等の初期設定用ク
ロック信号やデジタル回路ブロックのテスティング信号
を入力するためのクロック信号発生回路を外付けする複
雑さをなくして、外付回路を簡素化するために、あるい
はクロック信号を入力するパッド数が多くなって、チッ
プサイズが大型化することにより集積度が低下するのを
防止するために、ハイレベル信号出力手段、反転遅延信
号、クロック発振回路、アンドゲートとから構成される
クロック信号発生回路を半導体集積回路内に内蔵するよ
うに構成されている。
【0007】しかしながら、上記公報記載の半導体集積
回路では、クロック信号発生回路を内蔵させているもの
の、多数のフリップフロップ回路を設けて各フリップフ
ロップ回路にクロック信号を供給する場合に生ずる前述
したような問題については考慮されていないので、従来
の各問題を解決することはできない。
【0008】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、フリップフロップ回路で構成されているシステ
ムにより高速動作が要求された場合のタイミング設計を
容易にすると共に、高速クロックサイクルに伴う消費電
力を低減し、さらにクロック信号供給用配線の占有面積
の削減を図ることができるようにしたクロック信号同期
式フリップフロップ回路を提供することを目的としてい
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1記載の発明は、入力されたデータをクロッ
ク信号に同期して出力させるクロック信号同期式フリッ
プフロップ回路に係り、上記データが入力され該データ
の状態変化を検出してクロック信号を発生するクロック
信号発生回路部と、上記データと共に上記クロック信号
が入力され、該クロック信号に同期して上記データを取
り込んで所定遅延時間後に出力するフリップフロップ回
路部とを備えたことを特徴としている。
【0010】請求項2記載の発明は、請求項1記載のク
ロック信号同期式フリップフロップ回路に係り、上記ク
ロック信号発生回路部は、上記入力されたデータを第1
の所定時間遅延させた第1の遅延データを出力する第1
の遅延回路と、該第1の遅延データと上記入力データと
の排他的論理和をとって出力する排他的論理和回路と、
該排他的論理和回路の出力データを第2の所定時間遅延
させた第2の遅延データをクロック信号として出力する
第2の遅延回路とから構成されていることを特徴として
いる。
【0011】また、請求項3記載の発明は、請求項2記
載のクロック信号同期式フリップフロップ回路に係り、
上記第1の遅延回路による上記第1の所定遅延時間は、
上記クロック信号として要求されるパルス幅に応じて決
定されることを特徴としている。
【0012】請求項4記載の発明は、請求項2又は3記
載のクロック信号同期式フリップフロップ回路に係り、
上記第2の遅延回路による上記第2の所定遅延時間は、
上記フリップフロップ回路部において上記データを確実
に取り込むのに十分な時間となるように決定されること
を特徴としている。
【0013】請求項5記載の発明は、請求項1乃至4の
いずれか1に記載のクロック信号同期式フリップフロッ
プ回路に係り、上記フリップフロップ回路部は、マスタ
スレーブを構成するフリップフロップ回路部からなるこ
とを特徴としている。
【0014】また、請求項6記載の発明は、請求項1乃
至5のいずれか1に記載のクロック信号同期式フリップ
フロップ回路に係り、前段部及び後段部に遅延時間の異
なる組合せ回路を接続してなることを特徴としている。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。説明は実施例を用いて
具体的に行う。 ◇第1実施例 図1は、この発明の第1実施例であるクロック信号同期
式フリップフロップ回路の構成を示す回路図、図2は同
クロック信号同期式フリップフロップ回路の動作を説明
するタイミングチャートである。以下、図1及び図2を
参照して同クロック信号同期式フリップフロップ回路に
ついて説明する。この例のクロック信号同期式フリップ
フロップ回路1は、例えばマスタスレーブ型のフリップ
フロップ回路から構成され、マスタスレーブ回路部2
と、クロック信号発生回路部3とを備えている。ここ
で、マスタスレーブ回路部2は、マスタ回路部4とスレ
ーブ回路部5とから構成されている。
【0016】マスタ回路部4は、第1のインバータ7、
第2のインバータ8、第1のトランスファゲート9及び
第2のトランスファゲート10とから構成されて、第1
及び第2のインバータ7、8と第1のトランスファゲー
ト9とが直列に接続されている。第1及び第2のトラン
スファゲート9、10は、それぞれ非反転クロック信号
入力端子9a、10a及び反転クロック信号入力端子9
b、10bを有している。スレーブ回路部5は、第3の
インバータ12、第4のインバータ13、第5のインバ
ータ14、第3のトランスファゲート15及び第4のト
ランスファゲート16とから構成されて、第3及び第4
のインバータ12、13と第3のトランスファゲート1
5とが直列に接続されている。第3及び第4のトランス
ファゲート15、16は、それぞれ非反転クロック信号
入力端子15a、16a及び反転クロック信号入力端子
15b、16bを有している。マスタ回路部4には入力
端子18が設けられると共に、スレーブ回路部5には出
力端子19が設けられている。
【0017】そして、入力端子18に入力されたデータ
は、後述するクロック信号発生回路部3から供給された
クロック信号CKに同期してマスタ回路部4に取り込ま
れて記憶され、クロック信号CKに同期してスレーブ回
路部5にシフトされて、出力端子19から出力されるよ
うになっている。
【0018】クロック信号発生回路部3は、入力端子1
8からのデータを入力してこのデータの状態変化を検出
して第1の所定時間t1遅延させた第1の遅延データを
出力する第1の遅延回路21と、その第1の遅延データ
と入力データとの排他的論理和をとって出力する排他的
論理和回路22と、この排他論理和回路22の出力デー
タを第2の所定時間t2遅延させた第2の遅延データを
クロック信号CK及び反転クロック信号/CKとして出
力する第2の遅延回路23とから構成されている。
【0019】上述の第2の遅延回路23から出力された
クロック信号CKは、マスタ回路部4の各トランスファ
ゲート9、10及びスレーブ回路部5の各トランスファ
ゲート15、16の各非反転クロック信号入力端子9
a、10a、15a、16aに入力される。同様に、第
2の遅延回路23から出力された反転クロック信号/C
Kは、マスタ回路部4の各トランスファゲート9、10
及びスレーブ回路部5の各トランスファゲート15、1
6の各反転クロック信号入力端子9b、10b、15
b、16bに入力される。
【0020】この例では、第1の遅延回路21による遅
延時間t1は、クロック信号CKとして要求されるパル
ス幅に応じて決定されるように構成されている。また、
第2の遅延回路23による遅延時間t2は、マスタスレ
ーブ部2においてデータを確実に取り込むのに十分な時
間となるように決定されるように構成されている。
【0021】上述のように、クロック信号発生回路部3
で発生されるクロック信号CKは、入力端子18からク
ロック信号発生回路部3にデータが入力されて状態変化
が検出されたときのみに発生するので、データの状態変
化がない場合には発生されない。それゆえ、従来のよう
に、クロック信号は常時一定のタイミングで出力される
ことはない。
【0022】次に、図2を参照して、同クロック信号同
期式フリップフロップ回路の動作について説明する。入
力端子18から入力されたデータDATAは、マスタ回
路部4に入力されると同時に、クロック信号発生回路部
3に入力される。そのデータDATAは、L(Low)レ
ベルからH(High)レベルに状態が変化すると、第1の遅
延回路21はその状態変化を検出して第1の所定時間t
1遅延させた第1の遅延データ(A)を出力する。次
に、排他的論理和回路22は、第1の遅延データ(A)
とデータDATAとの排他的論理和をとって信号(B)
を出力する。
【0023】次に、第2の遅延回路23は信号(B)を
入力して、この信号(B)を第2の所定時間t2遅延さ
せた第2の遅延データをクロック信号CKとして出力す
る。同時に、第2の遅延回路23は反転クロック信号/
CKを出力する。クロック信号発生回路部3の第2の遅
延回路23から出力されたクロック信号CKは、前述の
ようにマスタ回路部4の各トランスファゲート9、10
及びスレーブ回路部5の各トランスファゲート15、1
6の各非反転クロック信号入力端子9a、10a、15
a、16aに供給され、同様に、第2の遅延回路23か
ら出力された反転クロック信号/CKは、マスタ回路部
4の各トランスファゲート9、10及びスレーブ回路部
5の各トランスファゲート15、16の各反転クロック
信号入力端子9b、10b、15b、16bに供給され
る。それゆえ、これらクロック信号CK及び反転クロッ
ク信号/CKに同期して、マスタスレーブ回路部3にデ
ータDATAが取り込まれて、出力端子19からデータ
DATAがQ出力として出力される。
【0024】上述の構成によれば、フリップフロップ回
路を構成しているマスタスレーブ型フリップフロップ回
路の内部にクロック信号発生回路部3を備えているの
で、入力されたデータを確実に取り込めるタイミングで
自分自身内部でクロック信号を発生することができる。
それゆえ、フリップフロップ回路で構成されているシス
テムにより高速動作が要求された場合でも、タイミング
設計が容易になる。また、クロック信号発生回路部3で
入力したデータの状態が変化したときのみ、クロック信
号を発生するので、従来のようにデータ入力に関係なく
常時一定のタイミングでクロック信号を発生している場
合に比較して、消費電力はクロック信号に依存しないた
め、消費電力を低減することができる。さらに、各フリ
ップフロップ回路にクロック信号発生回路部3を内蔵し
ているので、半導体集積回路に配置されるフリップフロ
ップ回路の数が多くなってきても、配線の数を大幅に減
少させることができるため、クロック信号供給用配線の
占有面積が増大することはなくなる。これに伴い、レイ
アウト設計が楽になる。
【0025】このように、この例の構成によれば、フリ
ップフロップ回路を構成しているマスタスレーブ型フリ
ップフロップ回路の内部に、データを入力してこのデー
タの状態変化を検出して第1の所定時間t1遅延させた
第1の遅延データを出力する第1の遅延回路21と、そ
の第1の遅延データと入力データとの排他的論理和をと
って出力する排他的論理和回路22と、この排他論理和
回路22の出力データを第2の所定時間t2遅延させた
第2の遅延データをクロック信号CK及び反転クロック
信号/CKとして出力する第2の遅延回路23とから構
成されたクロック信号発生回路部3を備えるようにした
ので、データが入力したタイミングでのみクロック信号
を発生することができる。したがって、フリップフロッ
プ回路で構成されているシステムにより高速動作が要求
された場合のタイミング設計を容易にすると共に、高速
クロックサイクルに伴う消費電力を低減し、さらにクロ
ック信号供給用配線の占有面積の削減を図ることができ
る。
【0026】◇第2実施例 図3は、この発明の第2実施例であるクロック信号同期
式フリップフロップ回路の構成を示す回路図、図4は同
クロック信号同期式フリップフロップ回路の動作を説明
するタイミングチャート、図5は同クロック信号同期式
フリップフロップ回路の他の動作を説明するタイミング
チャート、図6は同クロック信号同期式フリップフロッ
プ回路の構成の一部を示す図である。この例のクロック
信号同期式フリップフロップ回路の構成が、上述した第
1実施例の構成と大きく異なるところは、通常のフリッ
プフロップ回路及び組合せ回路と組み合わせて論理設計
を行うようにした点である。
【0027】この例のクロック信号同期式フリップフロ
ップ回路25は、第1実施例で用いられたのと略同様な
マスタスレーブ型のフリップフロップ回路から構成され
て、例えばRS型等の通常の第1及び第2のフリップフ
ロップ回路26、27が用いられ、さらに各フリップフ
ロップ回路26、27とフリップフロップ回路25との
間にはそれぞれ第1及び第2の組合せ回路29、30が
接続されている。各組合せ回路29、30は例えば、図
6に示すように、インバータ31、ナンドゲート32、
バッファ33、…等により構成されている。この例の論
理回路は、マスタスレーブ型のフリップフロップ回路の
内部で発生されるクロック信号CKと、通常の各フリッ
プフロップ回路26、27で用いられる通常のクロック
信号CK1との2クロックサイクルパスで構成されてい
る。
【0028】ここで、第1の組合せ回路29の遅延時間
t10と第2の組合せ回路30の遅延時間t20の大小
関係で、動作のタイミングは異なってくる。以下、各々
の動作について説明する。 (1)t10<t20の場合 図4に示すように、第1のフリップフロップ回路26と
第1の組合せ回路29を通過して、この例のフリップフ
ロップ回路25に入力されたデータDATAは、このデ
ータDATAの状態が変化するごとに、内部でクロック
信号CKが発生される。そして、このクロック信号CK
に同期してフリップフロップ回路25に取り込まれたデ
ータDATAは、クロック信号CKに同期して出力デー
タとして第2の組合せ回路30にQ出力のように出力さ
れる。
【0029】(2)t10>t20の場合 図5に示すように、図4の場合と異なって、第1のフリ
ップフロップ回路26と第1の組合せ回路29を通過し
たデータDATAは、上述の(2)の場合より遅れて、
フリップフロップ回路25に入力される。そして、この
データDATAの状態が変化するごとに、内部でクロッ
ク信号CKが発生されて、このクロック信号CKに同期
してフリップフロップ回路25に取り込まれたデータD
ATAは、クロック信号CKに同期して出力データとし
て第2の組合せ回路30にQ出力のように出力される。
【0030】図4と図5とを比較すれば明らかなよう
に、この例のフリップフロップ回路25の前後に接続す
る第1及び第2の組合せ回路29、30の遅延時間の大
小関係によって、データDATAが通過するタイミング
が異なってくる。それゆえ、フリップフロップ回路25
の前後に遅延時間の大きさに差のある組合せ回路29、
30を接続する論理回路を設計する場合には、その間に
この例のフリップフロップ回路25を接続することによ
り、前段と後段との組合せ回路29、30の遅延時間を
調整(いわゆる、遅延時間の貸借)できることを示して
いる。したがって、論理回路の設計にフリキシビリティ
を持たせることができる。
【0031】このように、この例の構成によっても、第
1実施例において述べたのと略同様な効果を得ることが
できる。加えて、この例の構成によれば、論理回路の設
計を行う場合に設計にフリキシビリティを持たせること
ができる。
【0032】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更等があってもこの発明に含まれる。例えば、マスタス
レーブ型フリップフロップ回路を構成する単位のフリッ
プフロップ回路は、RS型、JK型、D型等の各種のフ
リップフロップ回路を用いることができる。また、マス
タスレーブ型フリップフロップ回路を構成するマスタス
レーブ回路部は、ナンドゲート、ノアゲート等の各種の
論理ゲートにより構成することができる。また、この発
明は、クロック信号同期式フリップフロップ回路であれ
ば、マスタスレーブ型フリップフロップ回路に限ること
なく、RS型フリップフロップ回路等の他の型のフリッ
プフロップ回路に適用しても良い。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように、この発明のクロッ
ク信号同期式フリップフロップ回路によれば、フリップ
フロップ回路の内部に、データを入力してこのデータの
状態変化を検出して第1の遅延データを出力する第1の
遅延回路と、その第1の遅延データと入力データとの排
他的論理和をとって出力する排他的論理和回路と、この
排他論理和回路の出力データを遅延させた第2の遅延デ
ータをクロック信号として出力する第2の遅延回路とか
ら構成されたクロック信号発生回路部を備えるようにし
たので、データが入力したタイミングでのみクロック信
号を発生することができる。したがって、フリップフロ
ップ回路で構成されているシステムにより高速動作が要
求された場合のタイミング設計を容易にすると共に、高
速クロックサイクルに伴う消費電力を低減し、さらにク
ロック信号供給用配線の占有面積の削減を図ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例であるクロック信号同期
式フリップフロップ回路の構成を示す回路図である。
【図2】同クロック信号同期式フリップフロップ回路の
動作を説明するタイミングチャートである。
【図3】この発明の第2実施例であるクロック信号同期
式フリップフロップ回路の構成を示す回路図である。
【図4】同クロック信号同期式フリップフロップ回路の
動作を説明するタイミングチャートである。
【図5】同クロック信号同期式フリップフロップ回路の
他の動作を説明するタイミングチャートである。
【図6】同クロック信号同期式フリップフロップ回路の
構成の一部を示す図である。
【図7】従来のフリップフロップ回路の構成を示すブロ
ック図である。
【図8】同フリップフロップ回路の動作を具体的に説明
するタイミングチャートである。
【符号の説明】
1、25 クロック信号同期式フリップフロップ回
路(マスタスレーブ型フリップフロップ回路) 2 マスタスレーブ回路部 3 クロック信号発生回路部 4 マスタ回路部 5 スレーブ回路部 7、8、12、13、14、31 インバータ 9、10、15、16 トランスファゲート 9a、10a 非反転クロック信号入力端子 9b、10b 反転クロック信号入力端子 17 入力端子 18 出力端子 21 第1の遅延回路 22 排他的論理和回路 23 第2の遅延回路 26、27 通常のフリップフロップ回路 29、30 組合せ回路 32 ナンドゲート 33 バッファ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力されたデータをクロック信号に同期
    して出力させるクロック信号同期式フリップフロップ回
    路であって、 前記データが入力され該データの状態変化を検出してク
    ロック信号を発生するクロック信号発生回路部と、前記
    データと共に前記クロック信号が入力され、該クロック
    信号に同期して前記データを取り込んで所定遅延時間後
    に出力するフリップフロップ回路部とを備えたことを特
    徴とするクロック信号同期式フリップフロップ回路。
  2. 【請求項2】 前記クロック信号発生回路部は、前記入
    力されたデータを第1の所定時間遅延させた第1の遅延
    データを出力する第1の遅延回路と、該第1の遅延デー
    タと前記入力データとの排他的論理和をとって出力する
    排他的論理和回路と、該排他的論理和回路の出力データ
    を第2の所定時間遅延させた第2の遅延データをクロッ
    ク信号として出力する第2の遅延回路とから構成されて
    いることを特徴とする請求項1記載のクロック信号同期
    式フリップフロップ回路。
  3. 【請求項3】 前記第1の遅延回路による前記第1の所
    定遅延時間は、前記クロック信号として要求されるパル
    ス幅に応じて決定されることを特徴とする請求項2記載
    のクロック信号同期式フリップフロップ回路。
  4. 【請求項4】 前記第2の遅延回路による前記第2の所
    定遅延時間は、前記フリップフロップ回路部において前
    記データを確実に取り込むのに十分な時間となるように
    決定されることを特徴とする請求項2又は3記載のクロ
    ック信号同期式フリップフロップ回路。
  5. 【請求項5】 前記フリップフロップ回路部は、マスタ
    スレーブを構成するフリップフロップ回路部からなるこ
    とを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1に記載のク
    ロック信号同期式フリップフロップ回路。
  6. 【請求項6】 前段部及び後段部に遅延時間の異なる組
    合せ回路を接続してなることを特徴とする請求項1乃至
    5のいずれか1に記載のクロック信号同期式フリップフ
    ロップ回路。
JP11164064A 1999-06-10 1999-06-10 クロック信号同期式フリップフロップ回路 Pending JP2000353939A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100378686B1 (ko) * 2000-12-22 2003-04-07 주식회사 하이닉스반도체 플립플롭 회로
US7320098B2 (en) 2004-05-28 2008-01-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor integrated circuit device having scan flip-flop circuit
KR100885490B1 (ko) * 2007-03-15 2009-02-24 주식회사 하이닉스반도체 반도체 집적회로의 플립 플롭

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