JP2002076850A - フリップフロップ回路およびnor回路 - Google Patents

フリップフロップ回路およびnor回路

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JP2002076850A
JP2002076850A JP2000257383A JP2000257383A JP2002076850A JP 2002076850 A JP2002076850 A JP 2002076850A JP 2000257383 A JP2000257383 A JP 2000257383A JP 2000257383 A JP2000257383 A JP 2000257383A JP 2002076850 A JP2002076850 A JP 2002076850A
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Hideo Yanai
秀生 谷内
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電源電圧が1V以下の低電圧でも、また電源
電圧の変動に対しても安定して動作し、高集積化に適し
たフリップフロップ回路を実現する。 【解決手段】 定電流源回路を用いて構成した8個のN
OR回路101 〜108 を用い、これらと、DATA入力端
子110 、CLK入力端子111 、/DATA入力端子112
、/CLK入力端子113 、Q出力端子114 および/Q
出力端子115 とを図1のように接続してフリップフロッ
プ回路を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置などに
利用されるフリップフロップ回路(以下「FF回路」と
いう)およびNOR回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のFF回路においては、マスター側
及びスレーブ側ラッチホールド回路を備えて構成されて
いる。例えば図4は特開平2−21717号公報に記載
されている、従来の例を示すFF回路である。図4に示
すように、この低電圧動作のFF回路はトランジスタ11
〜14と負荷抵抗41,42と定電流源56,57とよりなるマス
ター側ラッチホールド回路1aと、同様にトランジスタ15
〜18と負荷抵抗43,44と定電流源58,59とよりなるスレ
ーブ側ラッチホールド回路2aと、これらラッチホールド
回路1a,2aの定電流源56〜59の電流の流入パスとなる大
型のトランジスタ33〜36と、クロック入力端子74,73に
各々ベースを接続したトランジスタ19,20と負荷抵抗4
5,46と定電流源51とよりなる差動増幅回路8 とで構成
される。ここでトランジスタ33〜36は、他のトランジス
タ11〜20の4倍の大きさになっている。71,72はデータ
入力端子、73,74はクロック入力端子、75,76はデータ
出力端子である。
【0003】このFF回路において、クロック入力端子
73,74から入力される正相、逆相のクロックは差動増幅
回路8 で増幅され、大型のトランジスタ33〜36のベース
に印加される。まずクロック入力端子73がHigh(ハ
イ),クロック入力端子74がLow(ロー)の時、トラン
ジスタ33,34がON(オン),トランジスタ35,36がO
FF(オフ)となる。このうち、トランジスタ33は定電
流源57の電流を吸引するため、トランジスタ11,14がO
FFとなる。一方このときトランジスタ36はOFFとな
っているので、トランジスタ12,13はONとなる。した
がって、マスター側ラッチホールド回路1aはホールド状
態になる。またトランジスタ34は定電流源58の電流を吸
引するため、トランジスタ16,17がOFFとなり、同様
にトランジスタ35はOFFとなっているでトランジスタ
15,18はONとなる。したがって、スレーブ側ラッチホ
ールド回路2aはラッチ状態になる。
【0004】逆に、クロック入力端子73がLow ,クロッ
ク入力端子74がHighの時は、マスター側ラッチホールド
回路1aがラッチ状態,スレーブ側ラッチホールド回路2a
がホールド状態になる。
【0005】このように、かかるFF回路はマスター側
ラッチホールド回路1aとスレーブ側ラッチホールド回路
2aが交互に動作を繰り返すので、フリップフロップ動作
を行うことができる。なおトランジスタ33〜36のサイズ
を他のトランジスタ11〜20の4倍の大きさにしているの
は、データ信号に比べてクロック信号に強制力を持たせ
るためである。
【0006】要するに、図4におけるFF回路は、トラ
ンジスタ11〜18とトランジスタ33,34,35,36とトラン
ジスタ19,20のすべてが縦積み1段構成であるため、電
源電圧1V以下で動作させることは可能であるが、クロ
ック信号に強制力を持たせているために、トランジスタ
サイズを変え、見かけ上データ信号のHighレベルよりも
クロック信号のHighレベルを60mV程度高く設定する
必要がある。このような事態は、各種の問題を含んでお
り、実用的ではない。
【0007】さらに、図4に示す回路の不具合点を改良
した形で、特開平9−107275号公報に記載されて
いるような方式も提案されている。
【0008】図5に新たに改良されたFF回路を示す。
この電流電圧特性は図5のFF回路において、電源電圧
を1Vとし、クロック入力端子73,74より正相、逆相ク
ロックを入力した時の節点78,79の電位は、Highで0.
8V、Low で(0.8−α)Vが現れるよう設定する。
ここでα=0.2Vとすると、正相クロック入力端子73
がHigh(逆相クロック入力端子74はLow)の時、節点79は
Low (0.6V)、節点78はHigh(0.8V)となり、
トランジスタ25がON,トランジスタ26がOFFとな
る。それ故、トランジスタ22,23のベースは共に0.8
VとなるのでそれぞれONし、コレクタに流れる電流は
0.4μAとなる。このとき、トランジスタ21,24は逆
にOFFとなるので、コレクタ電流は零である。したが
って、マスター側ラッチホールド回路1はラッチ状態、
スレーブ側ラッチホールド回路2はホールド状態にな
る。
【0009】一方、正相クロック入力端子73がLow (逆
相クロック入力端子74はHigh) の時、節点79はHigh
(0.8V)、節点78はLow (0.6V)となり、トラ
ンジスタ25はOFF,トランジスタ26はONとなる。し
たがって、マスター側ラッチホールド回路1はホールド
状態、スレーブ側ラッチホールド回路2はラッチ状態に
なる。
【0010】このようにして、FF回路は、マスター側
ラッチホールド回路1とスレーブ側ラッチホールド回路
2はラッチ状態とホールド状態を交互に繰り返すフリッ
プフロップ動作を行う。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら図4にお
けるFF回路は、1V程度の低電圧特性を動作させるこ
とはできるが、クロック信号に強制力をもたせているた
め、トランジスタ33〜36のエミッタ面積を通常のトラン
ジスタ(トランジスタ11〜20が相当)の10倍にしてい
るので、マスター側ラッチホールド回路1a又はスレーブ
側ラッチホールド回路2aとトランジスタ33〜36とで構成
される差動増幅回路においては、クロック信号のしきい
値電圧よりもデータ信号のしきい値電圧の方が60mV
(=26mV×ln10)高くなっており、クロック信
号のLow を認識しずらく、低電圧での安定動作に問題が
ある。また、図4のFF回路は導通状態の定電流源を5
個必要としており、低電流化できないという欠点がある
上、トランジスタ33〜36のサイズを大きくしなければな
らず、高集積化できないという欠点がある。
【0012】また図5におけるFF回路は、図4のFF
回路の課題は解決されているものの、定電流源回路を用
いていないため、クロック信号に同期した電流がトラン
ジスタ21〜24に流れるため、つまり、電流源を選択的に
ON/OFFさせているため、GND(グランド)配線
にクロック信号が流れ込み、例えば大規模集積化された
回路に図5の回路を配置すると、他の回路部分にクロス
トークし誤動作を生じる可能性がある。結果として高集
積化に適さないという欠点がある。
【0013】また、図5の回路は電源電圧によりトラン
ジスタ21〜24の電流が変わるため、電源電圧の変動によ
り最高動作周波数が変わり、結果として安定した動作を
行えない欠点がある。
【0014】本発明は、このような従来の問題点を鑑み
てなされたもので、電源電圧が1V以下の低電圧でも、
また電源電圧の変動に対しても安定して動作できるとと
もに、高集積化に適したFF回路を提供することを目的
とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明のFF回路は、第1乃至第8のNOR回路と、
正相データ入力端子,逆相データ入力端子,正相クロッ
ク入力端子,逆相クロック入力端子,正相データ出力端
子及び逆相データ出力端子とを備え、第1乃至第8のN
OR回路の各々は、2本の入力端子がそれぞれ第1及び
第2のトランジスタからなる差動対トランジスタのベー
スに接続され、差動対トランジスタのコレクタ及びエミ
ッタがそれぞれ共通接続され、差動対トランジスタのコ
レクタ共通ノードに第1の抵抗を介して第1の電源配線
が接続され、差動対トランジスタのエミッタ共通ノード
に第1の定電流源回路を介して第2の電源配線が接続さ
れており、差動対トランジスタのエミッタ共通ノードに
第3のトランジスタのエミッタが接続され、第3のトラ
ンジスタのコレクタに第2の抵抗を介して第1の電源配
線が接続され、第3のトランジスタのベースに第3の抵
抗を介して第1の電源配線が接続されており、第3のト
ランジスタのベースに第2の定電流源回路を介して第2
の電源配線が接続されており、第1の差動対トランジス
タのコレクタ共通ノードに出力端子が接続されて構成さ
れている。
【0016】そして、正相データ入力端子に第1のNO
R回路の一方の入力端子が接続され、第1のNOR回路
の他方の入力端子に正相クロック入力端子が接続され、
正相クロック入力端子に第2のNOR回路の一方の入力
端子が接続され、第2のNOR回路の他方の入力端子に
逆相データ入力端子が接続され、第1のNOR回路の出
力端子に第3のNOR回路の一方の入力端子が接続さ
れ、第2のNOR回路の出力端子に第4のNOR回路の
一方の入力端子が接続され、第3のNOR回路の他方の
入力端子に第4のNOR回路の出力端子が接続され、第
4のNOR回路の他方の入力端子に第3のNOR回路の
出力端子が接続され、第3のNOR回路の出力端子に第
5のNOR回路の一方の入力端子が接続され、第4のN
OR回路の出力端子に第6のNOR回路の一方の入力端
子が接続され、第5及び第6のNOR回路の他方の入力
端子に逆相クロック入力端子が接続され、第5のNOR
回路の出力端子に第7のNOR回路の一方の入力端子が
接続され、第6のNOR回路の出力端子に第8のNOR
回路の一方の入力端子が接続され、第7のNOR回路の
他方の入力端子に第8のNOR回路の出力端子が接続さ
れ、第8のNOR回路の他方の入力端子に第7のNOR
回路の出力端子が接続され、第7のNOR回路の出力端
子に正相データ出力端子が接続され、第8のNOR回路
の出力端子に逆相データ出力端子が接続されている。
【0017】この構成により、電源電圧が1V以下の低
電圧でも、また電源電圧変動に対しても安定して動作
し、高集積化に適したFF回路が得られる。
【0018】また、本発明のNOR回路は、2本の入力
端子がそれぞれ第1及び第2のトランジスタからなる差
動対トランジスタのベースに接続され、差動対トランジ
スタのコレクタ及びエミッタがそれぞれ共通接続され、
差動対トランジスタのコレクタ共通ノードに第1の抵抗
を介して第1の電源配線が接続され、差動対トランジス
タのエミッタ共通ノードに第1の定電流源回路を介して
第2の電源配線が接続されており、差動対トランジスタ
のエミッタ共通ノードに第3のトランジスタのエミッタ
が接続され、第3のトランジスタのコレクタに第2の抵
抗を介して第1の電源配線が接続され、第3のトランジ
スタのベースに第3の抵抗を介して第1の電源配線が接
続されており、第3のトランジスタのベースに第2の定
電流源回路を介して第2の電源配線が接続されており、
第1の差動対トランジスタのコレクタ共通ノードに出力
端子が接続されたものである。
【0019】このNOR回路を用いてFF回路を構成す
ることにより、電源電圧が1V以下の低電圧でも、また
電源電圧変動に対しても安定して動作し、高集積化に適
したFF回路を実現することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。図1は本発明の実施の
形態のFF回路の回路図である。図1において、101 〜
108 は第1〜第8のNOR回路、110 はDATA入力端
子(正相データ入力端子)、111 はCLK入力端子(正
相クロック入力端子)、112 は/DATA入力端子(逆
相データ入力端子)、113 は/CLK入力端子(逆相ク
ロック入力端子)、114 はQ出力端子(正相データ出力
端子)、115 は/Q出力端子(逆相データ出力端子)で
ある。
【0021】本実施の形態のFF回路は、第1〜第8の
NOR回路101 〜108 で構成され、NOR回路101 〜10
8 のそれぞれは、図2で示す回路構成となっている。
【0022】図2は本実施の形態のFF回路に用いられ
るECLで構成されたNOR回路を示す回路図である。
【0023】このNOR回路は、2本の入力端子90,91
がそれぞれ第1及び第2のトランジスタ92,93からなる
差動対トランジスタ89のベースに接続され、差動対トラ
ンジスタ89のコレクタ及びエミッタがそれぞれ共通接続
され、差動対トランジスタ89のコレクタ共通ノードに第
1の抵抗95を介して第1の電源配線77が接続され、差動
対トランジスタ89のエミッタ共通ノードに第1の定電流
源回路99を介して第2の電源配線(GND配線)88が接
続されており、差動対トランジスタ89のエミッタ共通ノ
ードに第3のトランジスタ94のエミッタが接続され、第
3のトランジスタ94のコレクタに第2の抵抗96を介して
第1の電源配線77が接続され、第3のトランジスタ94の
ベースに第3の抵抗97を介して第1の電源配線77が接続
されており、第3のトランジスタ94のベースに第2の定
電流源回路100 を介して第2の電源配線88が接続されて
おり、第1の差動対トランジスタ89のコレクタ共通ノー
ドに出力端子87が接続されて構成されている。
【0024】この構成において、例えば、電源配線77の
電位を1V、電源配線88の電位を0V、入力端子90,91
に入力される電圧のHighレベルを1V、Low レベルを
0.8Vとし、第1の定電流源回路99の電流値と第1の
抵抗95の抵抗値との積を0.2Vに設定する。また、第
2の定電流源回路100 の電流値と第3の抵抗97の抵抗値
との積を0.1Vに設定する。また、第2の抵抗96の抵
抗値は第1の抵抗95と同じである。このような場合、入
力端子90及び91のいずれか一方または両方にHighレベル
が入力されたときに出力端子87はLow レベルとなり、入
力端子90及び91の両方にLow レベルが入力されたときに
出力端子87はHighレベルとなり、NOR回路として動作
する。
【0025】このようにECLで構成されたNOR回路
を用いて構成した図1のFF回路は、DATA入力端子
110 に第1のNOR回路101 の一方の入力端子が接続さ
れ、第1のNOR回路101 の他方の入力端子にCLK入
力端子111 が接続され、CLK入力端子111 に第2のN
OR回路102 の一方の入力端子が接続され、第2のNO
R回路102 の他方の入力端子に/DATA入力端子112
が接続され、第1のNOR回路101 の出力端子に第3の
NOR回路103 の一方の入力端子が接続され、第2のN
OR回路102 の出力端子に第4のNOR回路104 の一方
の入力端子が接続され、第3のNOR回路103 の他方の
入力端子に第4のNOR回路104 の出力端子が接続さ
れ、第4のNOR回路104 の他方の入力端子に第3のN
OR回路103 の出力端子が接続されている。
【0026】さらに、第3のNOR回路103 の出力端子
に第5のNOR回路105 の一方の入力端子が接続され、
第4のNOR回路104 の出力端子に第6のNOR回路10
6 の一方の入力端子が接続され、第5及び第6のNOR
回路105 ,106 のそれぞれの他方の入力端子に/CLK
入力端子113 が接続され、第5のNOR回路105 の出力
端子に第7のNOR回路107 の一方の入力端子が接続さ
れ、第6のNOR回路106 の出力端子に第8のNOR回
路108 の一方の入力端子が接続され、第7のNOR回路
107 の他方の入力端子に第8のNOR回路107 の出力端
子が接続され、第8のNOR回路108 の他方の入力端子
に第7のNOR回路107 の出力端子が接続されている。
そして、第7のNOR回路107 の出力端子がQ出力端子
114 に接続され、第8のNOR回路108 の出力端子が/
Q出力端子115 に接続されている。
【0027】このように構成されるFF回路の各部の電
圧波形を図3に示す。DATA入力端子110 及びCLK
入力端子111 に入力される電圧のHighレベルを1V、Lo
w レベルを0.8Vとし、/DATA入力端子112 に入
力される信号はDATA入力端子110 に入力される電圧
の逆相であり、/CLK入力端子113 に入力される信号
はCLK入力端子111 に入力される電圧の逆相である。
なお、各NOR回路101 〜108 については前述の例のよ
うに設定している。
【0028】図3に示すように、CLK信号の立ち上が
り及び/CLK信号の立ち下がりに同期してQ出力端子
114 及び/Q出力端子115 の電圧がDATA及び/DA
TAの信号に遷移し、フリップフロップとして動作して
いる。
【0029】以上のように本実施の形態のFF回路は、
定電流源回路を用いたNOR回路101 〜108 で構成する
ことにより、電源電圧が1V以下の低電圧でも、また電
源電圧変動に対しても安定したフリップフロップ動作を
実現できる。また、NOR回路101 〜108 内のトランジ
スタ92〜94は図4のトランジスタ33〜36のように大きな
サイズのものではなく、また、定電流源回路99,100 を
用いているためクロック信号がGND配線(88)に流れ
込むことがなく、高集積化にも適している。
【0030】なお、本実施の形態のFF回路が、電源電
圧が1V以下の低電圧でも、安定したフリップフロップ
動作を実現できるのに対し、図4の回路では前述のよう
に動作が不安定となる。また、図5の回路では、トラン
ジスタ21〜24のVceが小さくなるので、高周波では動作
が不安定となる。
【0031】また、本実施の形態では、定電流源回路を
用いているため電源電圧が変化しても論理振幅(抵抗9
5,96のH,Lの振幅レベル)が一定であり、電源電圧
変動に対しても安定したフリップフロップ動作を実現で
きるのに対し、図4の回路では前述のようにクロック信
号のタイミングによっては上記論理振幅が変わる。ま
た、図5の回路では、トランジスタ21〜24のVceが変化
するので周波数によって動作が異なる。
【0032】本実施の形態では、低電圧,高周波におい
ても安定動作および低電流化が可能となる。図4の回路
では安定性に欠ける。図5の回路では、低電圧時にトラ
ンジスタ21〜24のVceが小さくなるので、動作スピード
が低下し、高周波で用いる場合、電流を増やす必要があ
る。
【0033】
【発明の効果】以上のように本発明は、定電流源回路を
用いたNOR回路を8個接続してFF回路を構成するこ
とにより、電源電圧が1V以下の低電圧でも、また電源
電圧変動に対しても安定したフリップフロップ動作を実
現でき、また高集積化に適したFF回路を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態におけるFF回路の回路
図。
【図2】本発明の実施の形態におけるECLを用いたN
OR回路の回路図。
【図3】本発明の実施の形態におけるFF回路の動作を
示す波形図。
【図4】従来のFF回路の回路図。
【図5】従来のFF回路の回路図。
【符号の説明】
77 電源配線 87 NOR回路出力端子 88 電源配線(GND配線) 89 差動対トランジスタ 90,91 NOR回路入力端子 92〜94 トランジスタ 95〜97 抵抗 99,100 定電流源回路 101 〜108 NOR回路 110 DATA入力端子 111 CLK入力端子 112 /DATA入力端子 113 /CLK入力端子 114 Q出力端子 115 /Q出力端子

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1乃至第8のNOR回路と、正相デー
    タ入力端子,逆相データ入力端子,正相クロック入力端
    子,逆相クロック入力端子,正相データ出力端子及び逆
    相データ出力端子とを備え、 前記第1乃至第8のNOR回路の各々は、2本の入力端
    子がそれぞれ第1及び第2のトランジスタからなる差動
    対トランジスタのベースに接続され、前記差動対トラン
    ジスタのコレクタ及びエミッタがそれぞれ共通接続さ
    れ、前記差動対トランジスタのコレクタ共通ノードに第
    1の抵抗を介して第1の電源配線が接続され、前記差動
    対トランジスタのエミッタ共通ノードに第1の定電流源
    回路を介して第2の電源配線が接続されており、前記差
    動対トランジスタのエミッタ共通ノードに第3のトラン
    ジスタのエミッタが接続され、前記第3のトランジスタ
    のコレクタに第2の抵抗を介して前記第1の電源配線が
    接続され、前記第3のトランジスタのベースに第3の抵
    抗を介して前記第1の電源配線が接続されており、前記
    第3のトランジスタのベースに第2の定電流源回路を介
    して前記第2の電源配線が接続されており、前記第1の
    差動対トランジスタのコレクタ共通ノードに出力端子が
    接続されて構成され、 前記正相データ入力端子に前記第1のNOR回路の一方
    の入力端子が接続され、前記第1のNOR回路の他方の
    入力端子に前記正相クロック入力端子が接続され、前記
    正相クロック入力端子に前記第2のNOR回路の一方の
    入力端子が接続され、前記第2のNOR回路の他方の入
    力端子に前記逆相データ入力端子が接続され、前記第1
    のNOR回路の出力端子に前記第3のNOR回路の一方
    の入力端子が接続され、前記第2のNOR回路の出力端
    子に前記第4のNOR回路の一方の入力端子が接続さ
    れ、前記第3のNOR回路の他方の入力端子に前記第4
    のNOR回路の出力端子が接続され、前記第4のNOR
    回路の他方の入力端子に前記第3のNOR回路の出力端
    子が接続され、前記第3のNOR回路の出力端子に前記
    第5のNOR回路の一方の入力端子が接続され、前記第
    4のNOR回路の出力端子に前記第6のNOR回路の一
    方の入力端子が接続され、前記第5及び第6のNOR回
    路の他方の入力端子に前記逆相クロック入力端子が接続
    され、前記第5のNOR回路の出力端子に前記第7のN
    OR回路の一方の入力端子が接続され、前記第6のNO
    R回路の出力端子に前記第8のNOR回路の一方の入力
    端子が接続され、前記第7のNOR回路の他方の入力端
    子に第8のNOR回路の出力端子が接続され、前記第8
    のNOR回路の他方の入力端子に第7のNOR回路の出
    力端子が接続され、前記第7のNOR回路の出力端子に
    前記正相データ出力端子が接続され、前記第8のNOR
    回路の出力端子に前記逆相データ出力端子が接続された
    ことを特徴とするフリップフロップ回路。
  2. 【請求項2】 2本の入力端子がそれぞれ第1及び第2
    のトランジスタからなる差動対トランジスタのベースに
    接続され、前記差動対トランジスタのコレクタ及びエミ
    ッタがそれぞれ共通接続され、前記差動対トランジスタ
    のコレクタ共通ノードに第1の抵抗を介して第1の電源
    配線が接続され、前記差動対トランジスタのエミッタ共
    通ノードに第1の定電流源回路を介して第2の電源配線
    が接続されており、前記差動対トランジスタのエミッタ
    共通ノードに第3のトランジスタのエミッタが接続さ
    れ、前記第3のトランジスタのコレクタに第2の抵抗を
    介して前記第1の電源配線が接続され、前記第3のトラ
    ンジスタのベースに第3の抵抗を介して前記第1の電源
    配線が接続されており、前記第3のトランジスタのベー
    スに第2の定電流源回路を介して前記第2の電源配線が
    接続されており、前記第1の差動対トランジスタのコレ
    クタ共通ノードに出力端子が接続されたNOR回路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100716261B1 (ko) * 2003-03-20 2007-05-08 파워스 인터내셔널 인크. 수송 컨테이너를 모니터링하기 위한 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 기록 매체

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KR100716261B1 (ko) * 2003-03-20 2007-05-08 파워스 인터내셔널 인크. 수송 컨테이너를 모니터링하기 위한 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 기록 매체

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