JP2933022B2 - 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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JP2933022B2 JP8220371A JP22037196A JP2933022B2 JP 2933022 B2 JP2933022 B2 JP 2933022B2 JP 8220371 A JP8220371 A JP 8220371A JP 22037196 A JP22037196 A JP 22037196A JP 2933022 B2 JP2933022 B2 JP 2933022B2
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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、特に電源電圧1V程度で動作するエミッタ結
合論理(ECL)構成のマスタスレーブ型フリップフロ
ップ回路においてデータスルーを防止する機能を有する
フリップフロップ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】電源電圧略1V程度で動作するフリップ
フロップ回路の構成の一例を図4に示す(特願平7−2
61168号参照)。
【0003】図4を参照すると、このフリップフロップ
回路は、抵抗1、2、トランジスタ3〜8よりなるEC
L縦積1段のマスタ側ラッチホールド回路と、抵抗9、
10、トランジスタ11〜16よりなるスレーブ側ラッ
チホールド回路と、抵抗17、18、トランジスタ1
9、20からなるラッチホールド回路の電流源をバイア
スする回路と、トランジスタ21、22、電流源23か
らなるクロック信号によりバイアス回路を制御する回路
と、を備えて構成されている。
【0004】次に、図4に示したフリップフロップ回路
の動作を説明する。例えば電源電圧を1Vとし、クロッ
ク入力端子C、CBより正相、逆相クロックを入力した
場合において、トランジスタ19、20のコレクタ端子
である節点A、B、トランジスタ7、8、15、16の
コレクタ電流のタイムチャートを図5に示す。
【0005】図5に示す例では、内部節点A、BにHi
gh:0.8V、Low:(0.8−α)Vが現れるよ
う設定し、α=0.2Vとすると、正相クロック入力端
子CがHighの時、内部節点AはHigh:0.8V
となり、ダイオード接続されたトランジスタ19はオン
し、トランジスタ8、15のベースもともに0.8Vと
なり、トランジスタ8、15はともにオンする。逆相ク
ロック入力端子CBがLowの時、内部節点BはLo
w:0.6Vとなり、ダイオード接続されたトランジス
タ20はオフし、トランジスタ7、16のはオフする。
【0006】逆に、正相クロック入力端子CがLowの
時、内部節点AはLow:0.6Vとなり、トランジス
タ8、15はオフし、逆相クロック入力端子CBがHi
ghの時、内部節点BはHigh:0.8Vとなり、ト
ランジスタ7、16はオンする。
【0007】このため、正相クロック入力端子CがHi
gh、逆相クロック入力端子CBがLowの時、マスタ
側ラッチホールド回路のトランジスタ8がオンし、トラ
ンジスタ7はオフとなるので、データ入力D、DBをベ
ース入力とする差動対トランジスタ3、6の共通エミッ
タにトランジスタ8から電流が供給され、データ入力端
子D、DBより入力されるデータをラッチする。また、
この時、スレーブ側ラッチホールド回路のトランジスタ
15がオンし、トランジスタ16はオフとなっているの
で、マスタラッチホールド回路の出力をベース入力とす
る差動対トランジスタ11、12の共通エミッタに電流
は供給されず、ホールド用の差動対トランジスタ13、
14の共通エミッタに電流が供給されて、ホールド状態
となる。
【0008】逆に、正相クロック入力端子CがLow、
逆相クロック入力端子CBがHighの時マスタ側ラッ
チホールド回路はホールド状態、スレーブ側ラッチホー
ルド回路はラッチ状態となり、フリップフロップ動作す
る。
【0009】このフリップフロップ回路をある回路定数
にてT−FF(トグル型フリップフロップ)として分周
動作させた場合の動作周波数は、0.41GHz〜1.
56GHzとなった。高周波側で動作が制限されるの
は、トランジスタのスイッチング速度の限界によるもの
で、低周波側で動作が制限されるのは、クロック信号の
立ち上がり時間及び立ち下がり時間が大きくなることに
より、クロック信号の立ち上がりエッジ、立ち下がりエ
ッジにおいて、マスタ側ラッチホールド回路、スレーブ
側ラッチホールド回路の双方ともラッチ状態になり、デ
ータースルーを生じたためであった。
【0010】一方、データスルーを防止する縦型2段E
CL構成のマスタスレーブ型フリップフロップ回路の回
路構成を図6に示す(特願平7−86127号)。
【0011】図6を参照して、このフリップフロップ回
路は、クロック入力端子C、データ入力端子Dと、デー
タの基準電圧端子VR1と、出力端子Q、QBと、トラ
ンジスタ24〜43、抵抗44〜53と、4つの定電流
源54〜57とから構成される。トランジスタ27、3
0、トランジスタ28、29、トランジスタ32、33
はそれぞれエミッタ同士が共通接続されマスタ側の第1
〜第3の差動トランジスタを(それぞれ「第1〜第3の
差動回路」ともいう)構成し、トランジスタ25、26
はマスタ側のエミッタフォロワ回路を構成し、抵抗4
8、49はエミッタフォロワ抵抗であり、抵抗44、4
5はマスタ側のコレクタ抵抗である。第1の定電流源5
5は、第3の差動対トランジスタ32、33の共通接続
されたエミッタとVEE電源端子間に接続され、定電流
ISC1を流す。
【0012】また、トランジスタ36、39、トランジ
スタ37、38、トランジスタ40、41はそれぞれエ
ミッタ同士が共通接続されスレーブ側の第4〜第6の差
動対トランジスタ(それぞれ「第4〜第6の差動回路」
ともいう)を構成し、トランジスタ34、35はスレー
ブ側のエミッタフォロワ回路を構成し、抵抗50、51
はエミッタフォロワ抵抗であり、抵抗46、47はスレ
ーブ側のコレクタ負荷抵抗である。第2の定電流源57
は、第6の差動対トランジスタ40、41の共通接続さ
れたエミッタとVEE電流端子の間に接続され、定電流
ICS1を流す。
【0013】トランジスタ42、43は出力段のエミッ
タフォロワトランジスタであり、抵抗52、53は出力
のエミッタフォロワ抵抗である。ベースをクロック入力
端子Cに接続したトランジスタ24はエミッタフォロワ
回路を構成し、第4の定電流源54はエミッタフォロワ
電流源である。ベースに基準電位VR1が接続されてい
るトランジスタ31は、トランジスタ24と同一特性を
有する。トランジスタ32はトランジスタ33と同一特
性を有する2個のトランジスタ31−1、32−2のコ
レクタ、ベース、エミッタ同士をそれぞれ接続して構成
され、トランジスタ40はトランジスタ41と同一特性
を有する2個のトランジスタ40−1、40−2のコレ
クタ、ベース、エミッタ同士をそれぞれ接続して構成さ
れている。VCC電源は高電位側の電源が印加され、V
EE電源端子は低電位側の電源電圧が印加され、第3、
第4の定電流源54、56には互いに等しい定電流IC
S2が流される。
【0014】このフリップフロップ回路では、第1の定
電流源55の電流はトランジスタ32−1、32−2に
分流され、第2の定電流源57の電流はトランジスタ1
5−1、15−2に分流されるため、次式(1)が成り
立つ。
【0015】
【0016】第3の差動対のトランジスタ、トランジス
タ32の順方向電圧Vfは、トランジスタ33のVfに
比べΔVf=約18mV低めに設定される。また、第6
の差動対のトランジスタ、トランジスタ40のVfはト
ランジスタ41のVfに比べΔVf=約18mV低めに
設定される。基準電圧VR1をクロック信号Cの振幅の
中心に設定すると、マスタ側のクロックが入力される差
動回路がクロックの振幅の中心より18mV低いレベル
をしきい値とし、スレーブ側のクロックが入力される差
動回路がクロックの振幅の中心より18mV高いレベル
をしきい値となり、マスタ側のラッチ回路とスレーブ側
のラッチ回路が同時に動作状態になることを防ぎ、デー
タスルーを防止できた。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た特願平7−261168号に提案される電源電圧1V
程度で動作するECL構成のマスタスレーブ型フリップ
フロップ回路は、データスルーを防ぐ対策を備えておら
ず、データスルーを生じやすく、低周波で誤動作すると
いう問題点があった。
【0018】したがって、本発明は、上記問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、好ましくは1V
で動作する縦型1段ECL構成のマスタスレーブ型フリ
ップフロップ回路において、データスルーを防止するフ
リップフロップ回路を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明のフリップフロップ回路は、データラッチ及
びホールド用の第1、及び第2の差動対トランジスタ
と、該第1、及び第2の差動対トランジスタに対してラ
ッチ及びホールドに応じて電流を供給する電流源を備え
てなるマスタ側ラッチホールド回路と、前記マスタ側ラ
ッチホールド回路の出力のラッチ及びホールド用の第
3、及び第4の差動対トランジスタと、該第3、及び第
4の差動対トランジスタに対してラッチ及びホールドに
応じて電流を供給する電流源を備えてなるスレーブ側ラ
ッチホールド回路と、を含むフリップフロップ回路にお
いて、前記マスタ側ラッチホールド回路の電流源が、デ
ータラッチ時の電流値と、ホールド時の電流値とが、互
いに異なるように構成されたことを特徴とする。
【0020】本発明においては、前記スレーブラッチホ
ールド回路の電流源が、ラッチ時の電流値と、ホールド
時の電流値とが、互いに異なるように構成したことを特
徴とする。
【0021】また、本発明においては、前記マスタラッ
チホールド回路が、データラッチ時の電流源の電流値
が、ホールド時の電流源の電流値よりも小となるように
構成したことを特徴とする。さらに、本発明において
は、前記スレーブラッチホールド回路が、ラッチ時の電
流源の電流値が、ホールド時の電流源の電流値よりも小
となるように構成したことを特徴とする。
【0022】そして、本発明においては、ラッチ時に電
流源となるトランジスタのサイズが、ホールド時に電流
源となるトランジスタのサイズようにも小とされたこと
を特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態につ
いて図面を参照して以下に説明する。本発明は、その好
ましい実施の形態において、図1を参照すると、第1、
及び第2の差動対トランジスタ(3、4、及び5、6)
と、負荷抵抗素子(1、2)と、第1及び第2の差動対
トランジスタにそれぞれ電流を供給する第1、及び第2
の電流源トランジスタ(8、7)とを備え、入力側が正
相、逆相のデータを入力するデータ入力端子(D、D
B)に接続されたECL縦積み1段構成のマスタ側ラッ
チホールド回路と、第3、及び第4の差動対トランジス
タ(11、12、及び14、14)と、負荷抵抗素子
(9、10)と、第3、及び第4の差動対トランジスタ
にそれぞれ電流を供給する第3、及び第4の電流源トラ
ンジスタ(16、15)とを備え、入力側がマスタ側ラ
ッチホールド回路の出力側に接続され、且つ出力側をデ
ータ出力端子(Q、QB)に接続されたECL縦積み1
段構成のスレーブ側ラッチホールド回路と、を備えてい
る。
【0024】本発明は、その好ましい実施の形態におい
て、図1を参照すると、さらに、コレクタ・ベース間を
短絡したトランジスタ(19、20)と、負荷抵抗素子
(17、18)とを備え、これらのトランジスタ(1
9、20)のコレクタよりマスタ側及びスレーブ側ラッ
チホールド回路の第1、第4、及び第2、第3の電流源
トランジスタ(8、15、及び7、16)のベースをそ
れぞれバイアスする第1、及び第2のバイアス回路を備
えている。
【0025】本発明は、その好ましい実施の形態におい
て、図1を参照すると、さらに、正相及び逆相のクロッ
ク信号(C、CB)をベースに入力し且つエミッタを共
通接続した第5の差動対トランジスタ(21、22)
と、この第5の差動対トランジスタの共通エミッタに接
続される定電流源(23)と、を備え、この第5の差動
対トランジスタ(21、22)のコレクタよりそれぞれ
第1、第2のバイアス回路を交互にプルダウンする制御
回路を備えている。
【0026】そして、本発明の実施の形態においては、
クロック信号(C、CB)によりマスタ側及びスレーブ
側ラッチホールド回路の電流源トランジスタ(7、8、
及び15、16)を選択的にオン/オフするものであ
り、第1の電流源トランジスタ(8)の電流値と第2の
電流源トランジスタ(7)の電流値が異なるように構成
されたことを特徴とするものである。
【0027】本発明は、その好ましい実施の形態におい
て、スレーブ側ラッチホールド回路の第3の電流源トラ
ンジスタ(16)の電流値と第4の電流源トランジスタ
(15)の電流値が異なる。
【0028】また、本発明は、その好ましい実施の形態
において、第1の電流源トランジスタ(8)のサイズと
前記第2の電流源トランジスタ(7)のサイズが異な
る。
【0029】さらに、本発明は、別の実施の形態におい
て、図2を参照すると、第1、第2の電流源トランジス
タのエミッタに抵抗(図3では58)が接続され、各々
の抵抗値が異なるように構成してもよい。
【0030】また、本発明は、別の実施の形態におい
て、前記第3、第4の電流源トランジスタのエミッタに
抵抗(図3では59)が接続され、各々の抵抗値が異な
るように構成してもよい。
【0031】上記した本発明の実施の形態についてさら
に詳細に説明すべく、本発明の実施例を図面を参照して
以下に詳細に説明する。
【0032】[実施例1]図1は、本発明の第1の実施
例のフリップフロップ回路の回路構成を示す図である。
図1を参照して、本実施例のフリップフロップ回路の回
路接続は、基本的に、従来技術として図4に示したフリ
ップフロップ回路の構成と同様とされている。しかし、
本実施例においては、差動対トランジスタの電流源とし
て作用するトランジスタのうちトランジスタ7、15、
19、20のトランジスタサイズは同一とされ、トラン
ジスタ8、16のトランジスタサイズは、トランジスタ
7、15、19、20の好ましくは略80%とされてい
る。
【0033】本実施例のマスタスレーブ型フリップフロ
ップ回路の動作について説明する。フリップフロップ回
路としての基本動作は、図4に示したフリップフロップ
回路と同様とされるが、本実施例は、図4の従来技術で
問題とされたデータスルーを確実に防止するように動作
することを特徴としている。本実施例では、トランジス
タ8、16のトランジスタサイズがトランジスタ7、1
5、19、20のトランジスタサイズの80%と小さい
ため、トランジスタ8、16のコレクタ電流は、トラン
ジスタ7、15のトランジスタコレクタ電流の80%し
か流れず、その動作信号波形を示すタイムチャートは、
図2に示すようなものとなる。
【0034】マスタ側のラッチに係わる電流源トランジ
スタ8のコレクタ電流は、トランジスタ7のコレクタ電
流と同時に立ち上がり、及び立ち下がり、定常電流が8
0%小さい分、立ち上がりの傾きは僅か緩く、同様に、
立ち下がりの傾きも僅かに緩い。立ち上がりは傾きが緩
い分遅く、立ち下がりは定常電流が80%小さい分遅く
なる。
【0035】このため、本実施例においては、マスタ側
ラッチホールド回路のラッチ状態の時間は短くなり、ホ
ールド状態の時間は長くなる。同様に、スレーブ側ラッ
チホールド回路のラッチ状態の時間も短くなり、ホール
ド側の時間は長くなる。
【0036】このようにして、マスタ側のラッチ状態と
スレーブ側のラッチ状態との間に時間tの間隔ができ、
マスタ側、スレーブ側双方が共にラッチ状態にはならず
データスルーを防止できる。
【0037】従来技術として図4を参照して説明したフ
リップフロップ回路と同様の回路定数にて、トランジス
タ6、16のサイズのみをトランジスタ7、15、1
9、20の80%とした場合のトグル接続した回路の分
周周波数は、0.14GHz〜1.50GHzとなり、
最高動作周波数をほぼ同様に保ちつつ、最低動作周波数
を1/3(=0.14/0.41)にまで小さく(すな
わち動作周波数範囲を拡大)することが可能となる。
【0038】[実施例2]図3に、本発明の第2の実施
例に係るフリップフロップ回路の構成を示す。本実施例
も前述した図1のフリップフロップ回路と同様にフリッ
プフロップ動作をするが、マスタ側のラッチに係わる電
流源が、マスタ側のホールドに係わる電流源トランジス
タ7と同じサイズのトランジスタ8と抵抗58とで構成
され、スレーブ側のラッチに係わる電流源がスレーブ側
のホールドに係わる電流源トランジスタ16と同じサイ
ズのトランジスタ16と抵抗59とで構成されている。
【0039】トランジスタ8の順方向電圧Vfは、抵抗
58による電圧降下分ΔVr分小さくなり、トランジス
タ8のオン時の電流(コレクタ電流)は、トランジスタ
7のオン時の電流(コレクタ電流)よりも小さくなる。
【0040】同様に、スレーブ側のトランジスタ16の
オン時の電流はトランジスタ15のオン時の電流よりも
小さくなり、図2に示したタイムチャートと同様に動作
しデータスルーを防ぐことが可能となる。
【0041】本実施例では、同一サイズのトランジスタ
で、トランジスタ7、8、15、16を構成しているた
め、第1の実施例のように80%のサイズのトランジス
タを準備する必要が無く、同一のトランジスタが配置さ
れたマスタスライス方式の半導体集積回路装置への適用
が容易となる。また、図3には、マスタ側及びスレーブ
側のラッチに係わる電流源トランジスタのエミッタに抵
抗を接続した例を示したが、ラッチとホールドの双方の
電流源トランジスタのエミッタ抵抗を付加し、これらの
抵抗値が異なる(例えばラッチに係わる電流源トランジ
スタに接続される抵抗の抵抗値が大となる)ようにして
もよい。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
好ましくは略1Vで動作するフリップフロップ回路のマ
スタ側とスレーブ側のラッチに係わる電流源の電流値を
マスタ側とスレーブ側のホールドに係わる電流源の電流
値よりも小(例えば80%)としたことにより、データ
スルーを防止でき、フリップフロップ回路の動作周波数
範囲を拡大するという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の回路構成を示す図であ
る。
【図2】本発明の第1の実施例の動作を説明するための
タイムチャートである。
【図3】本発明の第2の実施例の回路構成を示す図であ
る。
【図4】従来の縦型1段ECL構成のマスタスレーブ型
フリップフロップ回路の回路構成を示す図である。
【図5】図4のフリップフロップ回路の動作を説明する
ためのタイムチャートである。
【図6】データスルー防止を図る従来の縦型2段ECL
構成のマスタスレーブ型フリップフロップ回路の回路構
成を示す図である。
【符号の説明】
1、2 負荷抵抗 3〜6 マスタ側差動対のトランジスタ 7 マスタ側ホールドに係わる電流源トランジスタ 9 マスタ側ラッチに係わる電流源トランジスタ 10 負荷抵抗 11〜14 スレーブ側差動対のトランジスタ 15 スレーブ側ホールドに係わる電流源トランジスタ 16 スレーブ側ラッチに係わる電流源トランジスタ 17、18 負荷抵抗 19〜20 プルダウントランジスタ 21、22 差動対トランジスタ 23 電流源 24〜26 エミッタフォロワトランジスタ 27〜30、32、33 マスタ側の差動対トランジス
タ 31 エミッタフォロワトランジスタ 34、35 エミッタフォロワトランジスタ 36〜41 スレーブ側の差動対トランジスタ 42、43 エミッタフォロワトランジスタ 44〜47 負荷抵抗 48〜53 エミッタフォロワ抵抗 54〜57 定電流源

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】データラッチ及びホールド用の第1、及び
    第2の差動対トランジスタと、該第1、及び第2の差動
    対トランジスタに対してラッチ及びホールドに応じて電
    流を供給する電流源を備えてなるマスタ側ラッチホール
    ド回路と、 前記マスタ側ラッチホールド回路の出力のラッチ及びホ
    ールド用の第3、及び第4の差動対トランジスタと、該
    第3、及び第4の差動対トランジスタに対してラッチ及
    びホールドに応じて電流を供給する電流源を備えてなる
    スレーブ側ラッチホールド回路と、 を含むフリップフロップ回路において、 前記マスタ側ラッチホールド回路の電流源が、データラ
    ッチ時の電流値と、ホールド時の電流値とが、互いに異
    なるように構成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】前記スレーブ側ラッチホールド回路の電流
    源が、ラッチ時の電流値と、ホールド時の電流値とが、
    互いに異なるように構成されたことを特徴とする請求項
    1記載のフリップフロップ回路。
  3. 【請求項3】前記マスタ側ラッチホールド回路が、デー
    タラッチに係わる電流源の電流値が、ホールドに係わる
    電流源の電流値よりも小となるように構成したことを特
    徴とする請求項1記載のフリップフロップ回路。
  4. 【請求項4】前記スレーブ側ラッチホールド回路が、ラ
    ッチに係わる電流源の電流値が、ホールドに係わる電流
    源の電流値よりも小となるように構成したことを特徴と
    する請求項1記載のフリップフロップ回路。
  5. 【請求項5】ラッチに係わる電流源のトランジスタのサ
    イズが、ホールドに係わる電流源のトランジスタのサイ
    ズよりも小とされたことを特徴とする請求項1〜4のい
    ずれか一に記載のフリップフロップ回路。
  6. 【請求項6】第1、及び第2の差動対トランジスタと、
    負荷素子と、前記第1及び第2の差動対トランジスタに
    それぞれ電流を供給する第1、及び第2の電流源トラン
    ジスタと、を備え、入力側が正相、逆相のデータを入力
    するデータ入力端子に接続されたECL縦積み1段構成
    のマスタ側ラッチホールド回路と、 第3、及び第4の差動対トランジスタと、負荷素子と、
    前記第3、及び第4の差動対トランジスタにそれぞれ電
    流を供給する第3、及び第4の電流源トランジスタとを
    備え、入力側が前記マスタ側ラッチホールド回路の出力
    側に接続され、且つ出力側をデータ出力端子に接続され
    たECL縦積み1段構成のスレーブ側ラッチホールド回
    路と、 ダイオード接続型トランジスタと、負荷素子とを備え、
    前記ダイオード接続型トランジスタのコレクタより前記
    マスタ側及びスレーブ側ラッチホールド回路の第1から
    第4の電流源トランジスタのベースをそれぞれバイアス
    する第1、及び第2のバイアス回路と、 正相及び逆相のクロック信号をベースに入力し且つエミ
    ッタを共通接続した第5の差動対トランジスタと、該第
    5の差動対トランジスタのエミッタに接続される定電流
    源と、を備え、該第5の差動対トランジスタのコレクタ
    よりそれぞれ前記第1、第2のバイアス回路を交互にプ
    ルダウンする制御回路と、 を備え、 前記クロック信号により前記マスタ側及びスレーブ側ラ
    ッチホールド回路の前記第1、第2、及び第3、第4の
    電流源トランジスタを選択的にオン/オフする、フリッ
    プフロップ回路において、 前記第1の電流源トランジスタの電流値と前記第2の電
    流源トランジスタの電流値が異なるように構成されたこ
    とを特徴とするフリップフロップ回路。
  7. 【請求項7】前記第3の電流源トランジスタの電流値と
    前記第4の電流源トランジスタの電流値が異なることを
    特徴とする請求項6記載のフリップフロップ回路。
  8. 【請求項8】前記第1の電流源トランジスタのサイズと
    前記第2の電流源トランジスタのサイズが異なることを
    特徴とする請求項6記載のフリップフロップ回路。
  9. 【請求項9】前記第1、第2の電流源トランジスタにエ
    ミッタに抵抗が接続され、各々の抵抗値が異なることを
    特徴とする請求項6記載のフリップフロップ回路。
  10. 【請求項10】前記第3、第4の電流源トランジスタに
    エミッタに抵抗が接続され、各々の抵抗値が異なること
    を特徴とする請求項9記載のフリップフロップ回路。
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