JP2006505965A - 低出力cmosフリップフロップ - Google Patents

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Abstract

フリップフロップ(10)は、その論理状態示す論理電圧を蓄える電荷蓄積領域(22)、クロック信号生成回路(40)に接続されたソースまたはドレーンを有する第1のトランジスタ(20a)、クロック信号生成回路(40)に接続されたソースまたはドレーンを有する第2のトランジスタ(20b)、クロック信号生成回路(40)によって生成されるランプまたは正弦波クロック信号、第1のトランジスタ(20a)及び第2のトランジスタ(20b)の電圧に基づいてラッチ電圧値をラッチするラッチ回路(18)を含む。電荷蓄積領域(22)は、その蓄積電圧の状態を表わす第1の電圧を第1のトランジスタ(20a)のゲートに供給し、第2の電圧を第2のトランジスタ(20b)のゲートに供給する。

Description

発明の詳細な説明
発明の分野
本発明は、計算機システム用のフリップフロップに関し、詳細には、エネルギー消費を低減するためにエネルギー回収を利用した計算機システム用のフリップフロップに関する。
発明の背景
従来の計算機システムは、クロック信号生成回路と共に複数のフリップフロップを用いている。フリップフロップは、そのフリップフロップにおける電圧すなわち電荷の存在または非存在によって1または0などの2進数を記憶する。次いで、フリップフロップで読み書きされる2進数を、計算機システムの動作及び演算処理のために組合せブール論理に用いる。外部装置によってフリップフロップに論理状態が書き込まれるのが望ましい場合、振動する電圧すなわちクロック信号により、フリップフロップが、保存された状態を表わす電圧をフリップフロップのラッチング回路に書き込み、その電圧をラッチして、外部装置が読み取ることができるように保持する。クロック信号は通常、フリップフロップのトランジスタのゲートを作動させる方形波である。フリップフロップの外部のクロック信号生成回路が、計算機システムで読み取り、書き込み、及びタイミング処理を実施するために信号を生成する。方形信号すなわち階段型信号により、フリップフロップにおけるトランジスタのゲートが比較的高速でオン/オフする。
このような構成では、計算機システムがフリップフロップ内に保存された論理状態を効果的に読み取ることができるが、このような構成には欠点もある。具体的には、所定の読み取りのリクエストがあると、計算機システムのフリップフロップの一部のみが実際に読み取られる。しかしながら、残りの部分は継続してクロック信号を受け取る。一般に、未読フリップフロップを作動させるクロック信号のエネルギーはその内部に散逸して、エネルギー不足が起こり、熱の放散が増大する。計算機システム内の多数のフリップフロップでこのエネルギーの散逸の影響が増大すると、計算機システム全体の効率が低下してしまう。これら及び他の欠点を基に本発明を開発した。
発明の要約
フリップフロップは、その論理状態を示す論理電圧を蓄えるための電荷蓄積領域、クロック信号生成回路に接続されたソースまたはドレーンを有する第1のトランジスタ、クロック信号生成回路に接続されたソースまたはドレーンを有する第2のトランジスタ、クロック信号生成回路によって生成されるランプまたは正弦波クロック信号、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタの電圧に基づいてラッチ電圧値をラッチするラッチ回路を含む。電荷蓄積領域は、その蓄積電圧の状態を表わす第1の電圧を第1のトランジスタのゲートに供給し、第2の電圧を第2のトランジスタのゲートに供給する。
当業者であれば、添付の図面を参照しながら以下の説明を読めば本発明の別の態様が明らかになるであろう。
実施形態の詳細な説明
例示目的で添付の図面を参照しながら本発明を説明する。本発明は、その本質的な特徴から逸脱することなく他の形態で実施できることを理解されたい。図を用いて説明する例示的な実施形態は、その全ての態様が例示目的であって限定目的ではない。従って、本発明の範囲は、以下の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって規定される。請求項の同等物の意味及び範囲内の全ての変更は本発明の範囲内に含まれる。
図1を参照すると、本発明が図示されている。図1において、フリップフロップ10は、クロック信号受信回路12、入力値14、読取り素子16、及びラッチ素子18を含む。本発明の実施形態では、クロック信号受信回路12は、交差結合した2つのPMOSトランジスタ20a及び20bを含む。入力値14は、電圧「1」または「0」の存在または非存在によりブール状態を示す2進値22を含む。インバータ24bは、フリップフロップ10の反対側に反転した2進値22の値を供給する。また、フリップフロップ10の反対側に供給される2進値を再び反転するために、更なるインバータをインバータ24bと2進値22との間に追加することもできる。
読取り素子16は、クロック信号に応答した2進値の読取りを可能にするために、入力値14及びインバータ24bと協働するNMOSトランジスタ26a及び26bを含む。最後に、ラッチ素子18は、2進値をラッチしてその2進値の外部装置による読取りを可能にするために、交差結合したNORゲート28a及び28bを含む。
引き続き図1を参照すると、本発明の動作が図示されている。動作する場合、まずクロック信号受信回路12が、好ましくは正弦波信号Pclk、またはブリップクロック(blip clock)や他の傾斜した波形などの他のランプ信号Pclkによって動作する。Pclkは、PMOSトランジスタ20a及び20bのゲートではなくソースを作動させるのが好ましい。PMOSトランジスタ20a及び20bのゲートが「低」であるため、これらの素子はクロック信号を通過させる。正弦波クロック信号は、トランジスタにエネルギーが散逸しないでトランジスタを通過するのを助ける。詳細は後述するが、読取り動作中及び電荷再利用中の両方でのクロック値「高」の間、正弦波信号が、素子に散逸するエネルギーの量を制限してエネルギー損失を低減する。もちろん、鋸歯型の波形や他の傾斜した波形などの他の遅いランプ信号を正弦波クロック信号の代わりに用いることができ、本発明が正弦波に限定されるものではない。
2進値22はインバータ24bで反転される。この反転処理により、フリップフロップ10の別側に反対の電荷が供給される。従って、2進値22の状態が読み取られる時に、インバータ24bにより、NMOSトランジスタ26a及び26bの一方は通電し、他方は通電しない。限定目的ではないが、2進値22が「0」電圧として保存されると、NMOSトランジスタ26aのゲートが0電圧となり、一方、インバータ24bが電圧を反転してNMOSトランジスタ26bのゲートに電圧を供給する。従って、NMOSトランジスタ26bが通電し、NMOSトランジスタ26aが通電しない。つまり、端子Xは接地されずPclk電圧であり、端子YはNMOSトランジスタ26bを介して接地され接地電位である。
ラッチ素子18は、反対の反転された電位をラッチしてこれらをそれぞれQ_及びQとして出力するためにセット/リセット・ラッチとして交差結合NORゲート28a及び28bを用いる。端子Xの高電位が、PMOSトランジスタ20bをオフ状態に維持し、端子Yの低電位により、PMOSトランジスタ20aが通電する。従って、2進値22がその電流論理状態を維持する一方で、端子Xの電荷が、外部コイルまたは他のエネルギー発振回路がエネルギー回復状態で、PMOSトランジスタ20aを往復振動できる。
従って、限定目的ではない上記した例に基づいて、フリップフロップ10の動作が、Pclkの立ち上がりの前の適当な時間に変化するデータ入力2進値22で始まる。インバータ24bが相補的な入力を導出し、その入力がNMOSトランジスタ26a及び26bのゲートに供給される。正弦波Pclkの立ち上がりに達すると、交差結合PMOSトランジスタ20a及び20bが、2進値22の適切な値を検出し、ノードX及びノードYにラッチする。交差結合NORゲート28a及び28bがセット/リセット・ラッチを形成する。従って、ノードXまたはノードYの正のパルスがそれぞれ、このラッチをセットまたはリセットにする。
2進値22が変化しないで同じ状態に維持されると、ノードXまたはノードYの一方が「低」を維持し、他方のノードがエネルギーが回復する要領でPclkの位相で振動する。具体的には、図1の例では、ノードYが「低」に維持され、ノードXが「高」状態と「低」状態の間で振動する。これは、電荷をノードXからPMOSトランジスタ20aを介してフリップフロップ10の外部の発振回路に戻すことで達成される。これは、使用しないクロック信号が熱としてフリップフロップで散逸する従来のフリップフロップとは対照的である。この特性により、フリップフロップ10が高いエネルギー効率で動作し、それぞれのクロックサイクル中にそれぞれの端子に蓄えられた電荷を単に吸収する装置とは対照的であり、全体の効率が改善され、熱の散逸が実現される。
2進値22の状態が変わると、上記した動作によりラッチ素子18がリセットされる。具体的には、図1の例において、2進値22の論理状態が変わると、NMOSトランジスタ26aのゲートに対する反転した電荷によりNMOSトランジスタ26aが通電し、一方、トランジスタ26bはオフに維持される。Pclkが「高」になると、ノードYも「高」になり、ノードXは「低」になる。これにより、ラッチ素子18がQ_とQの電荷をスイッチし、ラッチ素子18がリセットされる。しかしながら、ここでも、電荷Yがフリップフロップで散逸するのではなく、PMOSトランジスタ20bを介して外部クロック構造に戻され、最終的に再利用される。
殆どの好適な実施形態では、フリップフロップの外部にある外部クロック構造が、フリップフロップ10で最大の高率を得るためにクロック正弦波を生成する。しかしながら、ブリップクロック、鋸歯構造、または傾斜が増減する他のクロック信号などの他のランプクロック信号を用いることができることを理解されたい。また、クロック構造は外部、つまりフリップフロップの外部にあることを理解されたい。しかしながら、クロック構造は、フリップフロップのチップ上またはチップ外に設けることができる。
ここで図2の参照すると、複数のフリップフロップ10を含むクロックツリー100が示されている。ここで、クロック信号生成器40は、クロックツリー100に送信するクロック正弦波Pclkを生成する。限定目的ではない本発明の実施形態では、0.25μmプロセスでは、クロックツリー100は200〜500MHzの範囲の周波数で動作する。2進値22が変わらない場合、1サイクル当たりのエネルギー消費量は、200MHzで5fJ未満、500MHzで25fJ未満であり、スイッチ動作が0.25の場合は、1サイクル当たりのエネルギー消費量は200MHzで40fJ未満、500MHzで90fJ未満である。
図3を参照すると、本発明の第2の実施形態が図示されている。図3には、図1とは異なった構成のフリップフロップ200が示されている。具体的には、入力値222のインバータ224bが読取り素子116のゲート226a及び226bに接続されている。Pclkが、クロック信号受信回路12のNMOSトランジスタ220a及び220bを作動させる。ラッチ素子118は、図1のNORゲートの代わりに交差結合したNANDゲート228a及び228bを含む。電源電圧Vddが、PMOSトランジスタ226a及び226bのソースに電圧を供給する。
引き続き図3を参照すると、本発明の動作が図示されている。図3において、読取り素子116が2進値222の論理状態を検出し、これをラッチ素子118の交差結合したNANDゲート228a及び228bでラッチする。前と同様に、端子Xまたは端子Yの一方が「高」に維持され、他方が外部クロック信号生成器からの正弦波Pclk信号と共に振動する。従って、前と同様に、XまたはYの高い電荷が、対応するNMOSトランジスタ220aまたは220bを介してクロック信号生成器回路に戻され再利用される。従って、フリップフロップの全体の効率が上がる。
本実施形態のフリップフロップに供給される正弦波クロック信号またはランプクロック信号がエネルギーを回復させることに留意されたい。クロック信号を用いてフリップフロップ10及び200の双方をソースまたはドレーンで作動させることで、エネルギーが回復する要領での回路の動作が可能となる。具体的には、フリップフロップ10及び200を作動させる正弦波クロック信号は、タイミング情報を提供するだけではなく、ラッチ素子18及び118のそれぞれの論理状態を設定及びラッチするために必要な電圧を供給する。図1及び図3と同様にソースまたはドレーンでトランジスタを作動させることで、本発明は、タイミング情報だけではなく論理状態を読み取るための動作電圧にもクロック信号を用いる。従って、このエネルギーを対応するトランジスタを介してクロック信号生成器回路に戻して再利用することができる。
ここで図4を参照すると、クロック信号生成器40が図示されている。本発明に従ったクロック信号生成器は、階段型方形波以外のクロック信号を供給して、エネルギーがトランジスタに吸収されるのではなく対応するトランジスタを通過できるようにする。加えて、クロック信号生成器40はまた、クロック信号のリサイクルを可能にする特徴と、リサイクルシステムに更なるエネルギーをいつ追加すべきかを監視する構成要素を含むのが好ましい。
従って、本発明の実施形態に従ったクロック信号生成器40は、発振器部分302、スイッチ部分304、サイクル制御器306、及び基準クロック400を含む。発振器部分302は、フリップフロップからの読取り電圧を再利用できるようにして好適なシステムの振動回復特性を提供する。クロック信号生成器40は、Pclk出力ノード308及び接地接続310を含む。発振器部分302は更に、電源電圧312a及び312b、及びコイル314を含む。図2を参照すると分かるように、Pclk出力ノード308は接地接続310と共に、正弦波クロック信号をフリップフロップ10に供給する。
基準クロック400は、詳細を後述する遅延線d1、d2、及びd3に基準クロック信号を供給する。スイッチ部分304は、一次トランジスタ320及び二次トランジスタ322及び324を含む。スイッチ部分304は、発振器部分302のエネルギーが不足した時に必要な追加エネルギーを供給する。この機能を果たすために、ある実施形態は、サイクル制御器306の電源電圧を接地接続326に接続する一次トランジスタ320を含む。二次トランジスタ322及び324はそれぞれPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタであり、電源電圧Vddを接地接続326に接続している。二次トランジスタ322及び324は、複数のインバータ338a、338b、及び338cを介してサイクル制御器306に接続されている。
動作する場合、発振器部分302は、それぞれのフリップフロップ10の寄生キャパシタンスで励振発振器回路を生成する。従って、コイル314は、フリップフロップ10及びコイル314を前後に移動するエネルギーを蓄える。クロック信号生成器によってフリップフロップ10に送られる読取り電荷が再利用される場合、読取り電荷はコイル314に戻って再利用される。サイクル制御器306が、Pclkの電圧のピークレベルを監視して、いつPclkを補充するべきかを決定する。Pclk制御器306がPclkの補充をしなければならないと決定すると、サイクル制御器306が二次トランジスタ322をオンにし、二次トランジスタ324をオフにする。従って、一次トランジスタ320のゲート電圧がオンになり、電流がサイクル制御器306から一次トランジスタ320を経て接地接続326に流れる。従って、一次トランジスタ320と並列のコイル314が充電される。
ここで図5を参照すると、サイクル制御器306が詳細に図示されている。図5において、サイクル制御器306は通常、基準岐路330及びPclk岐路332を含む。遅延d3は、遅延d3によって決まる時間に、PMOSトランジスタ337のゲートを作動させてトランジスタ329及び327にかかるPclk電圧及び基準電圧refを増幅する。基準クロックとは異なる基準電圧refは、発振器部分302を補充する必要があるか否かの決定の基になるサイクル制御器306に供給される設定DC電圧である。ピークPclk電圧と基準電圧との差がトランジスタ329及び327によって増幅される。交差結合インバータ107がピークPclk電圧と基準電圧を比較する。トランジスタ337が、比較結果を増幅トランジスタ329及び327から遮断する。交差結合NANDゲートを含むラッチ回路334が、Pclk電圧と基準電圧との比較結果をラッチし、これをNANDゲート336に送る。Pclkがrefよりも低い場合は、ラッチ比較回路334からのラッチされた出力により、十分なオン電圧でNANDゲート336が作動する。
加えて、d1及びd2が、回路のクロック周波数で適切なタイミングシーケンスで出力338がオンになるように必要な遅延時間を提供する。遅延信号d1とd2における差が、スイッチ320のオン時間を調節する。d1とd2と固有の遅延時間の合計がd3に等しい。d1とd2を組み合わせてシステムに供給する1つの遅延を生成し、高精度の遅延を達成できる。このような遅延は、外部で設定可能であり、適用例によって調節することができる。従って、d1とd2の合計結果がピークに達すると、NANDゲート335が電圧を出力し、その電圧がNANDゲート336に入力される。この入力が、ラッチ比較回路334が入力を供給する時間と同じ時間に供給されると、NANDゲート336がオンになり、出力338がオンになる。
本発明は前記した好適な実施形態及び代替の実施形態を参照して説明してきたが、当業者であれば、添付の特許の範囲で規定される本発明の概念及び範囲から逸脱することなく、ここに開示した本発明の実施形態の様々な代替物を用いて本発明を実施できることを理解できよう。添付の請求項が本発明を規定し、これらの請求項の範囲内の方法及び装置、並びに同等物が本発明の範囲に含まれるものとする。本発明の記載は、ここに開示した要素の新規な組み合わせ及び明確にしていない組み合わせの全てを含むと解釈すべきであり、これらの要素のあらゆる新規な組み合わせ及び明確にしていない組み合わせを本願または後の出願で請求することができる。上記した実施形態は例示目的であって、本願または後の出願で請求できるあらゆる可能な組み合わせに必須の構造または要素ではない。「1つの」要素または「第1の」要素の記載がある請求項では、このような請求項は、2つ以上のこのような要素を必要とするでもなく排除するでもなく、1または複数の要素を含むものと解釈すべきである。
本発明の一実施形態に従ったフリップフロップの模式図である。 本発明の一実施形態に従ったフリップフロップ及びクロック生成器の模式図である。 本発明の一実施形態に従ったフリップフロップの模式図である。 本発明の一実施形態に従ったクロック生成器回路の模式図である。 本発明の一実施形態に従ったクロック生成器回路の模式図である。

Claims (24)

  1. フリップフロップであって、
    前記フリップフロップの論理状態を示す論理電圧を供給する入力値と、
    ソースまたはドレーンがクロック信号生成回路に接続された少なくとも1つの第1のトランジスタと、
    ソースまたはドレーンが前記クロック信号生成回路に接続された少なくとも1つの第2のトランジスタと、
    前記クロック信号生成回路によって生成されるランプまたは正弦波クロック信号と、
    第1の接続点及び第2の接続点における第1のクロック電圧に基づいて、前記入力値を表わすラッチ電圧値をラッチするラッチ回路とを含み、
    前記第1の接続点が、前記クロック信号生成回路の反対側の前記第1のトランジスタのソースまたはドレーンであり、
    前記第2の接続点が、前記クロック信号生成回路の反対側の前記第2のトランジスタのソースまたはドレーンであることを特徴とするフリップフロップ。
  2. 前記ラッチ回路が、セット/リセット・ラッチを成す一対の交差結合したNORゲートであることを特徴とする請求項1に記載のフリップフロップ。
  3. ソースまたはドレーンが前記第1の接続点に接続された第3のトランジスタと、
    ソースまたはドレーンが前記第2の接続点に接続された第4のトランジスタとを更に含み、
    前記第3のトランジスタが、自身をオン/オフ状態にするための第3のゲートを含み、
    前記第4のトランジスタが、自身をオン/オフ状態にするための第4のゲートを含み、
    前記入力値が、前記第3のゲート及び前記第4のゲートが前記入力値を表わす互いに反対のオン/オフ状態になるように、前記第3のゲート及び前記第4のゲートに接続されていることを特徴とする請求項1に記載のフリップフロップ。
  4. 更に、前記入力値と前記第4のゲートとの間に配置されたインバータを含み、前記インバータが、前記第4のゲートを前記第3のゲートとは反対のオン/オフ状態にするように前記第4のゲートに供給される前記入力値を反転することを特徴とする請求項3に記載のフリップフロップ。
  5. 前記第1のトランジスタのソース及び前記第2のトランジスタのソースが前記クロック信号生成器部分に接続されていることを特徴とする請求項3に記載のフリップフロップ。
  6. 前記第3のトランジスタのドレーン及び前記第4のトランジスタのドレーンがグランドに接続されていることを特徴とする請求項5に記載のフリップフロップ。
  7. 前記第3のトランジスタ及び前記第4のトランジスタがNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項6に記載のフリップフロップ。
  8. 前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタがPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項7に記載のフリップフロップ。
  9. 前記第1のトランジスタが前記第2の接続点に接続されたゲートを有し、前記第2のトランジスタが前記第1の接続点に接続されたゲートを有することを特徴とする請求項8に記載のフリップフロップ。
  10. 前記第1のトランジスタのドレーン及び前記第2のトランジスタのドレーンが前記クロック信号生成器に接続されていることを特徴とする請求項3に記載のフリップフロップ。
  11. 前記第3のトランジスタのソース及び前記第4のトランジスタのソースが電源電圧に接続されていることを特徴とする請求項10に記載のフリップフロップ。
  12. 前記第3のトランジスタ及び前記第4のトランジスタがPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項11に記載のフリップフロップ。
  13. 前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタがNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項12に記載のフリップフロップ。
  14. 前記第1のトランジスタが前記第2の接続点に接続されたゲートを有し、前記第2のトランジスタが前記第1の接続点に接続されたゲートを有することを特徴とする請求項13に記載のフリップフロップ。
  15. 前記クロック信号が正弦波クロック信号であることを特徴とする請求項1に記載のフリップフロップ。
  16. 更に、前記クロック信号生成回路を含むことを特徴とする請求項15に記載のフリップフロップ。
  17. 前記クロック信号生成回路が、前記クロック信号を前記フリップフロップに供給し前記フリップフロップからエネルギーを回収するためのコンデンサ‐コイル・ネットワークを含むことを特徴とする請求項16に記載のフリップフロップ。
  18. ランプ型または正弦波型の単一入力クロック信号で低出力フリップフロップを動作させるための方法であって、
    フリップフロップの第1のトランジスタ及び第2のトランジスタを、前記フリップフロップの論理状態を示す前記フリップフロップへの入力値を表わすオン/オフの状態にするステップと、
    ランプ型クロック信号で前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタのソースまたはドレーンを作動させるステップと、
    前記フリップフロップの前記論理状態をラッチするために前記クロック信号によって作動するのとは反対のソースまたはドレーンの電圧をラッチするステップとを含むことを特徴とする方法。
  19. 前記作動させるステップが正弦波クロック信号で行うことを特徴とする請求項18に記載の方法。
  20. 更に、クロック信号生成器で前記クロック信号を生成するステップを含むことを特徴とする請求項18に記載の方法。
  21. 更に、前記クロック信号生成器によって前記フリップフロップからクロック信号エネルギーを回収するステップを含むことを特徴とする請求項20に記載の方法。
  22. 前記回収するステップが、前記クロック信号エネルギーを前記第1のトランジスタまたは前記第2のトランジスタの一方を通過させて行うことを特徴とする請求項21に記載の方法。
  23. 前記クロック信号エネルギーを前記クロック信号生成器で回収することを特徴とする請求項22に記載の方法。
  24. 前記ラッチ回路が、セット/リセット・ラッチを成す交差結合したNANDゲートの対であることを特徴とする請求項1に記載のフリップフロップ。
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