JP2776201B2 - 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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JP2776201B2
JP2776201B2 JP5152967A JP15296793A JP2776201B2 JP 2776201 B2 JP2776201 B2 JP 2776201B2 JP 5152967 A JP5152967 A JP 5152967A JP 15296793 A JP15296793 A JP 15296793A JP 2776201 B2 JP2776201 B2 JP 2776201B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は同期形フリップフロップ
回路、特に、その消費電力の低減に関する。
【0002】
【従来の技術】 データラッチ部及びデータ保持部よりな
る同期形フリップフロップ回路を適用した従来のマスタ
・スレーブ形フリップフロップ回路について図7、図
8、図9を参照して説明する(参照:特開昭3−586
10号公報)。
【0003】図7に示すマスタ・スレーブ形フリップフ
ロップ回路はECL(Emitter Coupled Logic)形であ
る。図7において、左側がマスタ部、右側がスレーブ部
であって、マスタ部に入力信号Vin1 、Vin2 が供給さ
れ、スレーブ部から出力信号Vout1、Vout2が得られ
る。クロック信号CLKによりトランジスタQ0 及び定
電流源I0 よりなるエミッタホロワを動作、非動作させ
ることにより、マスタ部(もしくはスレーブ部)をデー
タラッチ状態にする一方、スレーブ部(もしくはマスタ
部)をデータホールド状態にする。なお、基準電圧V
REF はクロック信号CLKを単相入力にするためのもの
である。
【0004】マスタ部の構成について説明すると、トラ
ンジスタQ1 、Q2 よりなる差動対は入力信号Vin1
in2 をラッチするためのものであって、定電流源I1
と共に、データ差動ラッチ回路を構成する。また、トラ
ンジスタQ3 、Q4 よりなる差動対は定電流源I1 と共
にデータ差動ホールド回路を構成する。また、トランジ
スタQ7 、Q8 、定電流源I2 、I3 は負荷駆動能力を
上げるためのエミッタホロワを構成する。R1 、R2
抵抗である。さらに、トランジスタQ5 、Q6よりなる
差動対は定電流源I1 と共に差動対Q1 、Q2 と差動対
3 、Q4 とを切り替えるための差動対切替回路を構成
する。
【0005】マスタ部の動作を説明すると、クロック信
号がローレベルとなり、この結果、トランジスタQ5
オンとなり、かつトランジスタQ6 がオフとなると、ト
ランジスタQ1 、Q2 の差動対が選択されて定電流源I
1 に接続され、この結果、入力信号Vin1 、Vin2 をエ
ミッタホロワ(Q7 、I2 、Q8 、I3)により出力する
ことになり、いわゆるデータラッチ状態となる。逆に、
クロック信号がハイレベルとなり、この結果、トランジ
スタQ6 がオンとなり、かつトランジスタQ5がオフと
なると、トランジスタQ3 、Q4 の差動対が選択されて
定電流源I1 に接続され、この結果、トランジスタ
3 、Q4 の各ベースがエミッタホロワ(Q7 、I2
8 、I3)に接続されることになり、いわゆるデータホ
ールド状態となる。
【0006】 スレーブ部もマスタ部と同様の構成をな
しており、従って、対応する構成要素には同一の参照符
号にダッシュを付加してある。ただし、エミッタホロワ
(Q0 、I0)とトランジスタQ5'、Q6'との接続はマス
タ部の場合と逆になっており、この結果、マスタ部がデ
ータラッチ状態のときには、スレーブ部はデータホール
ド状態になり、逆に、マスタ部がデータホールド状態の
ときには、スレーブ部はテータラッチ状態となる。図7
におけるエミッタホロワ(Q0 、I0)はクロック信号C
LKのレベルをトランジスタのベース・エミッタ電圧分
つまりダイオード1段分下げてトランジスタQ6 5 '
のベースに印加するためであり、上述のごとく、トラン
ジスタQ5、Q6'のベースは基準電圧VREF であり、こ
の結果、定電流源1個分の消費電流を低減できる(参
照:M.Mizuno et al, "A 3-mW 1.0-GHZ Silicon-ECL Du
al-Modulus Prescaler IC", IEEE JOURNAL OF SOLID-ST
ATE CIRCUITS, PP.1795-1796,Vol.27, No.12, Dec.199
2)。
【0007】図8は図7におけるエミッタホロワ
(Q7 、I2 ;Q8 、I3)及びエミッタホロワ( Q7'、
2';Q8'、I3') を削除して低消費電流化したCML
(CurrentMode Logic) 形である。図8のマスタ・スレ
ーブ形フリップフロップ回路の動作は図7のマスタ・ス
レーブ形フリップフロップ回路の動作と同一であるが、
トランジスタQ1 〜Q6 、Q1'〜Q6'のベース電位は、
上述のエミッタホロワがない分、ダイオード1段分高く
なっている。
【0008】図9においては、マスタ部が図7のマスタ
部を採用し、スレーブ部が図8のスレーブ部を採用して
いる。ただし、マスタ部とスレーブ部との動作レベルを
合わせるために、マスタ部にダイオードD1 を付加して
ある。
【0009】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、図
7、図8、図9に示すマスタ・スレーブ形フリップフロ
ップ回路のいずれにおいても消費電流が大きいという課
題がある。たとえば、スイッチング用定電流源I1 、I
1'の大きさをiS とし、エミッタホロワ用定電流源
0 、I2 、I3 、I0'、I2'、I3'の大きさをie
すれば、図7の場合には、 消費電流=2iS +5ie 図8の場合には、 消費電流=2iS +ie 図9の場合には、 消費電流=2iS +3ie となる。つまり、マスタ部、スレーブ部の各フリップフ
ロップ1個当たりで平均消費電流はiS +(0.5〜
2.5)ie となり、iS =ie とすれば、平均消費電
流は(1.5〜3.5)iS となる。従って、本発明の
目的は、消費電流を低減した同期形フリップフロップ及
びこれらを適用したマスタ・スレーブ形フリップフロッ
プ回路及び分周回路を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明は、第1の電源たとえば高電位電源に抵抗を
介して接続されたデータラッチ用差動トランジスタ対及
びデータホールド用差動トランジスタ対を第2の電源た
とえば低電位電源に接続された定電流源に対して切り替
えるための差動トランジスタ対を備えたフリップフロッ
プ回路において、切替用差動トランジスタ対に対してク
ロック信号を与えるために差動トランジスタ対の各トラ
ンジスタにダーリントン接続されたトランジスタを設け
た。
【0011】
【作用】上述の手段によれば、差動対切替用差動トラン
ジスタ対に与えるクロック信号のレベルシフトをダーリ
ントン接続のトランジスタにより行うことで、クロック
信号入力用定電流源が不要となる。
【0012】
【実施例】図1は本発明に係る第1の実施例としての同
期形フリップフロップ回路を示す回路図であって、図8
のマスタ部(あるいはスレーブ部)において、クロック
信号CLK、CLK’のレベルシフトをトランジスタQ
6 、Q5 にダーリントン接続されたトランジスタQ0
0'によって行っている。なお、2相クロック信号CL
K、CLK’は、図7、図8、図9における単相クロッ
ク信号CLKよりも、差動駆動の点から動作が安定す
る。
【0013】 図1においては、クロック信号CLK、
CLK’、入力信号Vin1 、Vin2 、出力信号Vout1
out2はすべて同一の動作点である。つまり、論理振幅
をΔV、各トランジスタのベース・エミッタ間電圧(ダ
イオード電圧)をVFとすれば、出力信号Vout1、V
out2の電位はVCC〜VCC−ΔVであり、クロック信号C
LK、CLK’、入力信号Vin1 、Vin2 の各電位も同
一である。従って、トランジスタQ0 、Q0'、Q1 、Q
2 、Q3 、Q4 のエミッタ電位はVCC−VFであり、ト
ランジスタQ5 、Q6 のエミッタ電位はVCC−2VFと
なる。これは、これらのトランジスタがすべて差動構成
であるこにより、差動トランジスタ対の共通エミッタ
電位が差動トランジスタのベース電位の高い方よりVF
だけ低い値となるためである。
【0014】このようにして、トランジスタQ5 、Q6
のコレクタ・エミッタ間電圧はVFとなり、トランジス
タQ1 〜Q4 のコレクタ・エミッタ間電圧はVF−ΔV
〜VFとなる。ここで、VF=0.7V、ΔV=0.3
Vとすれば、VF−ΔV=0.4Vであるので、図1の
トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧が最も小さく
なるのは0.4Vであり、論理回路として問題とはなら
ない。
【0015】図1の回路は、トランジスタQ0 、Q0'及
び2相クロック入力の点を除き、図8のマスタ部(ある
いはスレーブ部)と同一である。従って、クロック信号
CLKの電位がクロック信号CLK’の電位より低いと
きには、データラッチ用差動対Q1 、Q2 が定電流源I
1 と接続されてデータラッチ状態となり、逆に、クロッ
ク信号CLKの電位がクロック信号CLK’の電位より
高いときには、データホールド用差動対Q3 、Q4 が定
電流源I1 と接続されてデータホールド状態となる。ま
た、図1の回路においては、消費電流は定電流源I1
だけであり、つまり、iS であり、従来に比べて2/3
〜2/7となる。
【0016】 図2は本発明の第2の実施例としてのマ
スタ・スレーブ形フリップフロップ回路を示す回路図で
あって、図1の同期形フリップフロップ回路をマスタ
部、スレーブ部として2つ縦列接続したものであり、マ
スタ部の非反転出力、反転出力がスレーブ部の非反転入
力、反転入力に、それぞれ、接続されている。この場
合、トランジスタQ0 のエミッタはマスタ部のトランジ
スタQ6 及びスレーブ部のトランジスタQ5'の各ベース
に接続され、また、トランジスタQ0'のエミッタはマス
タ部のトランジスタQ5 及びスレーブ部のトランジスタ
6'の各ベースに接続されている。従って、マスタ部が
データラッチ状態であればスレーブ部はデータホールド
状態となり、逆に、マスタ部がデータホールド状態であ
ればスレーブ部はデータラッチ状態となる。図2におい
ても、各トランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧がV
F−ΔVより小さくなることはなく、論理回路として問
題とならない。また、図2の回路においては、消費電流
は定電流源I1 、I1'分だけであり、つまり、2iS
あり、やはり、従来に比べて2/3〜2/7となる。
【0017】図3は本発明の第3の実施例としての1/
2分周回路を示す回路図であって、図2において、スレ
ーブ部の非反転出力、反転出力がマスタ部の反転入力、
非反転入力に帰還されている。この結果、クロック信号
CLK、CLK’が図4の(A)、(B)のごとく変化
すると、マスタ部の出力V2 、V1 は図4の(C)、
(D)のごとく変化し、スレーブ部の出力Vout2、V
out1は図4の(E)、(F)のごとく変化する。つま
り、クロック信号CLK、CLK’を1/2分周した出
力信号Vout1、Vout2が得られる。図3の回路において
も、消費電流は2iS であり、従来のマスタ・スレーブ
形フリップフロップ回路を1/2分周回路に構成した場
合に比べて2/3〜2/7となる。
【0018】一般的に、図3に示す1/2分周回路をN
個縦列接続すると、1/2N 分周回路が得られる。たと
えば、図5に示すごとく、図3に示す1/2分周回路を
2個縦列接続すると、1/4分周回路が得られる。図5
の回路を実際に移動させると、たとえば、VCC=3V、
入力信号CLK(CLK’)を図6の(A)に示すごと
く、600MHzで動作させると、1/2分周回路50
1の÷2出力は、図6の(B)に示すごとく、変化し、
1/2分周回路502の÷4出力は、図6の(C)に示
すごとく、変化する。この場合、÷2出力、÷4出力と
もハイレベル3V、ローレベル2.7Vの論理振幅とな
る。また、消費電流は、図6の(D)に示すごとく、1
20μA近傍となる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、消
費電流を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例としての同期形フリップ
フロップ回路を示す回路図である。
【図2】本発明の第2の実施例としてのマスタ・スレー
ブ形フリップフロップ回路を示す回路図である。
【図3】本発明の第3の実施例としての1/2分周回路
を示す回路図である。
【図4】図3の回路動作を示すタイミング図である。
【図5】本発明の第4の実施例としての1/4分周回路
を示す回路図である。
【図6】図5の回路動作を示すタイミング図である。
【図7】従来のマスタ・スレーブ形フリップフロップ回
路を示す回路図である。
【図8】従来のマスタ・スレーブ形フリップフロップ回
路を示す回路図である。
【図9】従来のマスタ・スレーブ形フリップフロップ回
路を示す回路図である。
【符号の説明】
1 、R2 、R1'、R2'…抵抗 Q1 、Q2 、Q1'、Q2'…データラッチ用差動対 Q3 、Q4 、Q3'、Q4'…データホールド用差動対 Q5 、Q6 、Q5'、Q6'…差動対切替用差動対 Q0 、Q0'…クロック信号入力用トランジスタ I1 、I1'…定電流源 Vin1 、Vin2 …入力信号 Vout1、Vout2…出力信号 VREF …基準電圧 CLK、CLK’…クロック信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H03K 3/286 H03K 3/289

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1、第2の電源配線手段(VCC、−V
    EE)と、 該第1の電源配線手段に第1の負荷抵抗(R1)を介して
    接続されたコレクタ、第1の入力信号(Vin1)を受ける
    ベース及びエミッタを有する第1のトランジスタ(Q1)
    と、 該第1の電源配線手段に第2の負荷抵抗(R2)を介して
    接続されたコレクタ、第2の入力信号(Vin2)を受ける
    ベース及び前記第1のトランジスタのエミッタに接続さ
    れたエミッタを有する第2のトランジスタ(Q2)と、 前記第1のトランジスタのコレクタに接続されたコレク
    タ、前記第2のトランジスタのコレクタに接続されたベ
    ース及びエミッタを有する第3のトランジスタ(Q3)
    と、 前記第2のトランジスタのコレクタに接続されたコレク
    タ、前記第1のトランジスタのコレクタに接続されたベ
    ース及び前記第3のトランジスタのエミッタに接続され
    たエミッタを有する第4のトランジスタ(Q4)と、 前記第1、第2のトランジスタの共通エミッタに接続さ
    れたコレクタ、ベース及びエミッタを有する第5のトラ
    ンジスタ(Q5)と、 前記第3、第4のトランジスタの共通エミッタに接続さ
    れたコレクタ、ベース及びエミッタを有する第6のトラ
    ンジスタ(Q6)と、 前記第5、第6のトランジスタの共通エミッタと前記第
    2の電源配線手段との間に接続された定電流源(I1)
    と、 前記第1の電源配線手段に接続されたコレクタ、第1の
    クロック信号(CLK')を受けるベース及び前記第5の
    トランジスタのベースに接続されたエミッタを有し、前
    記第5のトランジスタにダーリントン接続された第7の
    トランジスタ(Q0') と、 前記第1の電源配線手段に接続されたコレクタ、第2の
    クロック信号(CLK) を受けるベース及び前記第6の
    トランジスタのベースに接続されたエミッタを有し、
    記第6のトランジスタにダーリントン接続された第8の
    トランジスタ(Q0)とを具備し、前記第1、第2のトラ
    ンジスタのコレクタを出力(Vout1、Vout2) としたフ
    リップフロップ回路。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のフリップフロップ回路
    (R1 、R2 、Q1 〜Q6 、Q0 、Q0') の前記第7、
    第8のトランジスタ(Q0 、Q0') を除く部分をマスタ
    部とし、請求項1に記載のフリップフロップ回路
    (R1 、R2 、Q1 〜Q6 、Q0 、Q0') の前記第7、
    第8のトランジスタ(Q0 、Q0') を除く部分をスレー
    ブ部とし、 前記マスタ部の各出力を前記スレーブ部の各入力とし、 前記第1の電源配線手段に接続されたコレクタ、第1の
    クロック信号(CLK)を受けるベース、及び前記マス
    タ部の第6のトランジスタのベース及び前記スレーブ部
    の第5のトランジスタのベースに接続されたエミッタを
    し、前記マスタ部の第6のトランジスタ及び前記スレ
    ーブ部の第5のトランジスタにダーリントン接続された
    第9のトランジスタ(Q0)と、 前記第1の電源配線手段に接続されたコレクタ、第2の
    クロック信号(CLK')を受けるベース、及び前記マ
    スタ部の第5のトランジスタのベース及び前記スレーブ
    部の第6のトランジスタのベースに接続されたエミッタ
    を有し、前記マスタ部の第5のトランジスタ及び前記ス
    レーブ部の第6のトランジスタにダーリントン接続され
    第10のトランジスタ(Q0') とを具備したマスタ・
    スレーブ形フリップフロップ回路。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載のマスタ・スレーブ形フ
    リップフロップ回路において、スレーブ部の出力をマス
    タ部の入力に帰還せしめた分周回路。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の分周回路を複数個縦列
    接続せしめた分周回路。
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