JP3178609B2 - Static type CMOS flip-flop circuit - Google Patents

Static type CMOS flip-flop circuit

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JP3178609B2
JP3178609B2 JP41108390A JP41108390A JP3178609B2 JP 3178609 B2 JP3178609 B2 JP 3178609B2 JP 41108390 A JP41108390 A JP 41108390A JP 41108390 A JP41108390 A JP 41108390A JP 3178609 B2 JP3178609 B2 JP 3178609B2
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正雄 鈴木
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はGHz帯で動作する超高
速CMOSフリップフロップ回路に係わり、特に、超小
型携帯電話機等に使われる周波数シンセサイザーの構成
要素である低電力・超高速プリスケーラーICに好適な
回路構成法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultra-high-speed CMOS flip-flop circuit operating in the GHz band, and more particularly to a low-power and ultra-high-speed prescaler IC which is a component of a frequency synthesizer used in a miniature portable telephone. It relates to a preferred circuit configuration method.

【0002】[0002]

【従来の技術】情報化社会の進展に伴い、自動車電話・
携帯電話等の移動体通信機器の需要が急激に伸びてい
る。これら移動体通信機器の小型・軽量化にはプリスケ
ーラー等周波数シンセサイザーに使われる回路の消費電
力低減によってバッテリ容積・重量を削減することが最
も効果的である。一方、移動体通信の利用の拡大によっ
て、この用途に割り当てられていた周波数帯は高周波化
している。即ち、従来の800MHz帯から1.5GHz
帯さらには3.0GHz帯が予定されている。こうした動
向に対応して上述のプリスケーラー回路等の高速化要求
が高まっている。
2. Description of the Related Art With the development of the information society, automobile phones and
Demand for mobile communication devices such as mobile phones is growing rapidly. The most effective way to reduce the size and weight of these mobile communication devices is to reduce the battery volume and weight by reducing the power consumption of circuits used in frequency synthesizers such as prescalers. On the other hand, the frequency band allocated to this use is increasing in frequency due to the expansion of use of mobile communication. That is, 1.5 GHz from the conventional 800 MHz band
Bands and even the 3.0 GHz band are planned. In response to such a trend, there is an increasing demand for higher speeds of the above-described prescaler circuit and the like.

【0003】さて、このような状況にあって、従来、プ
リスケーラー回路はGaAs−ICやSiバイポーラー
ICで構成されていた。移動体通信機器の低システムコ
スト化や低消費電力化の観点からすれば、システム全体
の完全CMOS化が望ましいが、従来のCMOS回路で
はGHz帯での安定な高速動作は困難であった。
Under such circumstances, conventionally, the prescaler circuit has been constituted by a GaAs-IC or a Si bipolar IC. From the viewpoint of reducing the system cost and power consumption of mobile communication equipment, it is desirable to use a complete CMOS system, but it has been difficult for a conventional CMOS circuit to perform stable high-speed operation in the GHz band.

【0004】そこで、最初にプリスケーラーICの構成
要素であるCMOSフリップフロップ回路について従来
の回路技術を概観する。従来、CMOSフリップフロッ
プ回路には高速動作に優れたダイナミック型と動作の安
定性に優れたスタティック型がある。図4及び図6に各
々の代表的な回路例を示す。
[0004] First, the conventional circuit technology of the CMOS flip-flop circuit, which is a component of the prescaler IC, will be outlined. Conventionally, CMOS flip-flop circuits include a dynamic type which is excellent in high-speed operation and a static type which is excellent in operation stability. 4 and 6 show typical circuit examples.

【0005】図4に示したダイナミックフリップフロッ
プはマスター及びスレーブの二つのクロックドインバー
タより構成されている。図において、Pチャネルトラン
ジスタ41,Nチャネルトランジスタ42,CMOSイ
ンバータ43はクロックドインバータ44を構成する。
Pチャネルトランジスタ45,Nチャネルトランジスタ
46,CMOSインバータ47はクロックドインバータ
48を構成し、出力Qを得る。CMOSインバータ49
は反転出力Q’を得るバッファ回路を構成する。この反
転出力Q’は入力Dに帰還されている。CMOSインバ
ータ50は上記各クロックドインバータを制御するため
のクロック信号Cの反転信号C’を得るためのバッファ
回路を構成する。
The dynamic flip-flop shown in FIG. 4 is composed of two clocked inverters, a master and a slave. In the figure, a P-channel transistor 41, an N-channel transistor 42, and a CMOS inverter 43 form a clocked inverter 44.
The P-channel transistor 45, the N-channel transistor 46, and the CMOS inverter 47 form a clocked inverter 48 and obtain an output Q. CMOS inverter 49
Constitutes a buffer circuit for obtaining an inverted output Q ′. This inverted output Q 'is fed back to the input D. The CMOS inverter 50 constitutes a buffer circuit for obtaining an inverted signal C ′ of the clock signal C for controlling each clocked inverter.

【0006】この図4の回路において、初期状態をクロ
ック信号=H(highレベル)、クロックドインバー
タ44の出力A=H、クロックドインバータ48の出力
Q=L(lowレベル)と定める。そうするとPチャネ
ルトランジスタ41、Nチャネルトランジスタ42は共
にオフ(非導通)状態となるから、クロックドインバー
タ44は不動作状態となっている。従って、クロック信
号=Hの期間、CMOSインバータ43のソース・ドレ
イン接合容量Cjと次段のCMOSインバータ47のゲ
ート容量出力Cgの合成容量Cl(=Cj+Cg)に蓄
えられた電荷によって‘H’レベルの信号が維持されて
いる。一方、Pチャネルトランジスタ45,Nチャネル
トランジスタ46は共にオン(導通)状態となるから、
クロックドインバータ48は動作状態となっている。従
って、クロックドインバータ48は前段のクロックドイ
ンバータ44の出力A=‘H’レベルを受けて、‘L’
レベルの信号を出力する。更に、この出力はCMOSイ
ンバータ49により反転されて‘H’レベルとなって入
力Dに帰還されている。クロック信号=Hの期間におい
ては、CMOSインバータ49のソース・ドレイン接合
容量Cjと次段のCMOSインバータ43のゲート容量
Cgとの合成容量C3(=Cj+Cg)は電源電圧VD
D(‘H’レベルと同電位)で充電される。
In the circuit of FIG. 4, the initial state is defined as clock signal = H (high level), output A of clocked inverter 44 = H, output Q of clocked inverter 48 = L (low level). Then, both P-channel transistor 41 and N-channel transistor 42 are turned off (non-conductive), so that clocked inverter 44 is in a non-operating state. Therefore, during the period when the clock signal is at H, the charge stored in the combined capacitance Cl (= Cj + Cg) of the source-drain junction capacitance Cj of the CMOS inverter 43 and the gate capacitance output Cg of the CMOS inverter 47 at the next stage is at the “H” level. The signal is maintained. On the other hand, since both the P-channel transistor 45 and the N-channel transistor 46 are turned on (conducting),
Clocked inverter 48 is operating. Therefore, the clocked inverter 48 receives the output A = “H” level of the clocked inverter 44 at the preceding stage, and receives “L”
Output level signal. Further, this output is inverted by the CMOS inverter 49 and becomes “H” level, and is fed back to the input D. In the period when the clock signal is at H, the combined capacitance C3 (= Cj + Cg) of the source-drain junction capacitance Cj of the CMOS inverter 49 and the gate capacitance Cg of the next-stage CMOS inverter 43 is equal to the power supply voltage VD.
It is charged at D (the same potential as the 'H' level).

【0007】次にクロック信号が‘L’レベルに変化す
ると、クロックドインバータ44は動作状態となり、ク
ロックドインバータ48は不動作状態となる。その結
果、クロックドインバータ44は入力Dの‘H’レベル
を受けて‘L’レベルを出力する。即ち、クロック信号
=Lの期間では、合成容量Clの放電が続く。一方、出
力Qはクロックドインバータ48が不動作状態となるた
め、合成容量C2によって‘L’レベルの信号が保持さ
れる。出力Qの信号レベルが‘L’レベルでCMOSイ
ンバータ49の論理しきい値以下に保たれている間は、
‘H’レベルが入力Dに帰還されている。
Next, when the clock signal changes to the "L" level, the clocked inverter 44 is activated and the clocked inverter 48 is deactivated. As a result, the clocked inverter 44 receives the “H” level of the input D and outputs the “L” level. That is, during the period of the clock signal = L, the discharge of the combined capacitance Cl continues. On the other hand, the output Q has the “L” level signal held by the combined capacitor C2 because the clocked inverter 48 is in the inoperative state. While the signal level of the output Q is 'L' level and lower than the logic threshold value of the CMOS inverter 49,
The “H” level is fed back to input D.

【0008】次にクロック信号が‘H’レベルに変化す
ると、クロックドインバータ44は不動作状態となり、
クロックドインバータ48は動作状態となる。その結
果、クロックドインバータ44の出力Aは‘L’レベル
に維持され、出力Qの信号レベルが‘L’レベルから
‘H’レベルに、反転出力Q’の信号レベルが‘H’レ
ベルから‘L’レベルに変化する。以上のようなクロッ
ク信号変化で同様の変化を繰り返すため、図4の回路動
作は図5の波形図のようになる。
Next, when the clock signal changes to the "H" level, the clocked inverter 44 becomes inactive , and
Clocked inverter 48 enters an operating state . As a result, the output A of the clocked inverter 44 is maintained at 'L' level, the signal level of the output Q changes from 'L' level to 'H' level, and the signal level of the inverted output Q 'changes from' H 'level to' H 'level. It changes to L 'level. Since the same change is repeated by the above clock signal change, the circuit operation of FIG. 4 is as shown in the waveform diagram of FIG.

【0009】図4に示した回路は高速動作性に優れてお
り、本願発明者らは0.2μm級のゲート長を有したCM
OSプロセスを用いて上記の回路を構成し、電源電圧
(VDD)2Vで3.2GHzの分周動作を確認してい
る。図3に最高動作周波数の電源電圧依存性を示す(文
献:Y.Kado,Y.Okazaki,M.Suzuki,and T.Kobyashi;Elect
ronics Letters,1990,Vol.26,No.20,pp1684)。これによ
り、GHz帯で動作する低消費電力・超高速CMOS・
LSI実現の見通しが得られ、将来、移動体通信で使わ
れる低電力3GHz帯周波数シンセサイザーへの応用が
期待されている。
The circuit shown in FIG. 4 is excellent in high-speed operation, and the inventors of the present invention have adopted a CM having a gate length of 0.2 μm class.
The above circuit is configured using the OS process, and a 3.2 GHz frequency division operation at a power supply voltage (VDD) of 2 V has been confirmed. FIG. 3 shows the power supply voltage dependence of the maximum operating frequency (literature: Y. Kado, Y. Okazaki, M. Suzuki, and T. Kobyashi; Elect).
ronics Letters, 1990, Vol. 26, No. 20, pp1684). Thereby, low power consumption, ultra-high speed CMOS,
The prospect of realizing LSI is obtained, and application to a low-power 3 GHz band frequency synthesizer used in mobile communication is expected in the future.

【0010】一方、動作の安定性に優れたCMOS構成
のスタティック型フリップフロップとしては図6の如き
ものが使用されていた。図において、トランスファーゲ
ート61,62,65,66及びインバータ63,6
4,67,68,69,70は何れもPチャネルトラン
ジスタとNチャネルトランジスタよりなるCMOS構成
となっている。インバータ63に対してインバータ64
及びトランスファーゲート62は帰還回路を構成してお
り、トランスファーゲート62が導通状態の時マスター
側の信号を保持する機能を有する。同様にインバータ6
7,68及びトランスファーゲート66はトランスファ
ーゲート66が導通状態の時スレーブ側の信号を保持す
る機能を有する。スレーブ側の出力Qはインバータ69
で反転されて入力Dに帰還される。CMOSインバータ
70は上記各トランスファーゲートを制御するためのク
ロック信号Cの反転信号C’を得るためのバッファ回路
を構成する。
On the other hand, as a CMOS type static flip-flop excellent in operation stability, a flip-flop as shown in FIG. 6 has been used. In the figure, transfer gates 61, 62, 65, 66 and inverters 63, 6
Each of 4, 67, 68, 69, and 70 has a CMOS configuration including a P-channel transistor and an N-channel transistor. Inverter 64 with respect to inverter 63
The transfer gate 62 constitutes a feedback circuit, and has a function of holding a master-side signal when the transfer gate 62 is conductive. Similarly, inverter 6
7, 68 and the transfer gate 66 have a function of holding a signal on the slave side when the transfer gate 66 is conductive. The output Q on the slave side is the inverter 69
And is fed back to the input D. The CMOS inverter 70 constitutes a buffer circuit for obtaining an inverted signal C ′ of the clock signal C for controlling each transfer gate.

【0011】この図6の回路において、初期状態をクロ
ック信号=H(highレベル)、出力Q=L(low
レベル)と定める。トランスファーゲート61は導通状
態となり、トランスファーゲート62は非導通状態とな
るので、マスター側のインバータ63は‘H’レベルの
入力を受けて‘L’レベルを出力する。一方、スレーブ
側ではトランスファーゲート65は非導通状態となり、
トランスファーゲート66は導通状態となるので、マス
ター側との信号伝達経路は遮断され、出力Qのlowレ
ベルを保持している。
In the circuit of FIG. 6, the initial state is such that the clock signal = H (high level) and the output Q = L (low).
Level). Transfer gate 61 is turned on and transfer gate 62 is turned off, so that inverter 63 on the master side receives the input of the “H” level and outputs the “L” level. On the other hand, on the slave side, the transfer gate 65 is turned off,
Since the transfer gate 66 is turned on, the signal transmission path to the master side is cut off, and the output Q is kept at the low level.

【0012】次にクロック信号が‘L’レベルに変化す
ると、トランスファーゲート61,66が非導通状態、
トランスファーゲート62,65が導通状態となる。そ
の結果、マスター側では‘L’レベルの信号が保持さ
れ、マスター側からスレーブ側にトランスファーゲート
65を通して‘L’レベルの信号が伝達される。従っ
て、出力Qは‘L’レベルから‘H’レベルに変化す
る。
Next, when the clock signal changes to the "L" level, the transfer gates 61 and 66 are turned off,
Transfer gates 62 and 65 are rendered conductive. As a result, the “L” level signal is held on the master side, and the “L” level signal is transmitted from the master side to the slave side through the transfer gate 65. Therefore, the output Q changes from 'L' level to 'H' level.

【0013】次にクロック信号が‘H’レベルに変化す
ると、トランスファーゲート61,66が導通状態、ト
ランスファーゲート62,65が非導通状態となる。そ
の結果、スレーブ側では‘H’レベルの信号が保持さ
れ、スレーブ側からマスター側にインバータ69を介し
て‘L’レベルの信号が入力Dに帰還される。以上のよ
うなクロック信号変化で同様の変化を繰り返すため、図
6の回路動作は図7の波形図のようになる。0.2μm級
のゲート長を有したCMOSプロセスを用いて上記の回
路を構成した場合の、最高分周動作周波数の電源電圧依
存性を図3に示す。電源電圧2Vで2GHz動作が可能
であり、信号の保持動作をするフリップフロップ要素を
有しているため、低周波からの安定動作が可能である。
Next, when the clock signal changes to the "H" level, the transfer gates 61 and 66 are turned on and the transfer gates 62 and 65 are turned off. As a result, the “H” level signal is held on the slave side, and the “L” level signal is fed back to the input D from the slave side to the master side via the inverter 69. Since similar changes are repeated with the above clock signal changes, the circuit operation of FIG. 6 is as shown in the waveform diagram of FIG. FIG. 3 shows the power supply voltage dependency of the highest frequency division operating frequency when the above-described circuit is configured using a CMOS process having a gate length of 0.2 μm class. A 2 GHz operation can be performed at a power supply voltage of 2 V, and a flip-flop element that performs a signal holding operation is provided. Therefore, stable operation from a low frequency is possible.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図4に
示した従来のダイナミックフリップフロップにはクロッ
ク信号の周波数が低下してくると、動作の安定性が劣化
するという問題がある。前記の動作説明で述べたよう
に、フリップフロップ要素による信号の保持はCMOS
インバータ43(又は47)のソース・ドレイン接合容
量Cjと次段のCMOSインバータ47(又は49)の
ゲート容量出力Cgの合成容量Cl(=Cj+Cg)に
蓄えられた電荷によってなされる。ところが、蓄積電荷
はソース・ドレイン接合やゲート酸化膜におけるリーク
電流により時間とともに減少するので、信号の周期が長
くなると保持している信号レベルが低下し、ついには次
段のインバータの論理しきい値以下になる。その結果、
次段のインバータが反転し、誤動作する。この期間は電
源電圧が低下する程、合成容量Cl(=Cj+Cg)に
充電される電荷量が少なくなるので深刻になる。このよ
うに、従来のCMOSダイナミックフリップフロップは
高速性に優れているが、低周波での安定動作に問題があ
った。
However, the conventional dynamic flip-flop shown in FIG. 4 has a problem that when the frequency of the clock signal decreases, the operation stability deteriorates. As described in the above description of the operation, the holding of the signal by the flip-flop element is performed by the CMOS.
This is performed by the electric charge stored in the combined capacitance Cl (= Cj + Cg) of the source-drain junction capacitance Cj of the inverter 43 (or 47 ) and the gate capacitance output Cg of the next-stage CMOS inverter 47 (or 49 ). However, the accumulated charge decreases with time due to leakage current at the source-drain junction and the gate oxide film, so that as the signal period increases, the signal level held decreases, and finally the logical threshold of the next-stage inverter It becomes below. as a result,
The next inverter is inverted and malfunctions. During this period, as the power supply voltage decreases, the amount of charge charged to the combined capacitance Cl (= Cj + Cg) decreases, and the period becomes more serious. As described above, the conventional CMOS dynamic flip-flop is excellent in high-speed operation, but has a problem in stable operation at a low frequency.

【0015】一方、図6に示した従来のスタティック型
フリップフロップはダイナミック型に比べて素子数が多
く寄生容量も増加する為図3に示したように高速動作性
能が悪く、最先端の微細CMOS技術を用いても、3G
Hz帯小型携帯電話機の周波数シンセサイザー等に適用
するのは困難である。このような状況下にあって、低電
源電圧でGHz帯で動作し、動作周波数に依存せず安定
に動作するCMOS・フリップフロップ回路技術が求め
られていた。
On the other hand, the conventional static flip-flop shown in FIG. 6 has a large number of elements and a large parasitic capacitance as compared with the dynamic flip-flop, so that the high-speed operation performance is poor as shown in FIG. Even with technology, 3G
It is difficult to apply to a frequency synthesizer of a small-sized mobile phone in the Hz band. Under such circumstances, a CMOS flip-flop circuit technology that operates in the GHz band at a low power supply voltage and operates stably independent of the operating frequency has been required.

【0016】本発明の目的は、動作の安定性に優れたC
MOSスタティック型フリップフロップ回路の利点を有
しながら、CMOSダイナミック型フリップフロップ並
の高速動作が可能なスタティック型CMOSフリップ
ロップ回路を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a C-type semiconductor having excellent operation stability.
While having the advantages of the MOS static flip-flop circuit, CMOS dynamic flip-flop parallel high-speed operation possible static CMOS flip off the
The present invention is to provide a flop circuit.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、動作の安定性に優れたCMOSス
タティック型フリップフロップ回路において、動作速度
を律速しているトランスファーゲートの特性を改善し、
フリップフロップ要素を構成しているインバータの負荷
容量を低減する回路的手段を具備せしめたことを主要な
構成上の特徴とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object, the present invention relates to a CMOS static flip-flop circuit having excellent operation stability, in which the characteristics of a transfer gate which controls the operation speed are determined. Improve
The main configuration feature is that a circuit means for reducing the load capacity of the inverter constituting the flip-flop element is provided.

【0018】[0018]

【実施例】以下に、図面を参照して本発明の一実施例を
説明する。図1はCMOSでトランスファーゲートを構
成した場合の同実施例を示す回路図であり、マスター・
フリップフロップ回路とスレーブ・フリップフロップ回
路で構成される。即ちマスター・フリップフロップでは
CMOSインバータ1の入出力端はP型チャネルMOS
トランジスタとN型チャネルMOSトランジスタより構
成されるCMOSトランジスタゲート3,4を介してC
MOSインバータ2の出入力端に相互接続してフリップ
フロップ要素を構成している。スレーブ・フリップフロ
ップにおいても、同様にCMOSインバータ5の入出力
端はCMOSトランスファーゲート7,8を介してCM
OSインバータ6の出入力端に相互接続して、フリップ
フロップ要素を構成している。マスター側の前記のCM
OSインバータ1,2の出力信号はCMOSトランスフ
ァーゲート9,10を介してスレーブ側のCMOSイン
バータ5,6の入力側に各々伝達される。一方、スレー
ブ側のCMOSインバータ5,6の出力信号はCMOS
トランスファーゲート11,12を介してマスター側の
CMOSインバータ1,2の入力端に帰還される。正相
のタイミングパルスをトランスファーゲート7,8,
11,12のPMOS及びトランスファーゲート3,
4,9,10のNMOSのゲートに各々供給し、一方、
上記タイミングパルスと逆相のタイミングパルスC’
CMOSインバータ15を介して生成し、トランスファ
ーゲート3,4,9,10のPMOS及びトランスファ
ーゲート7,8,11,12のNMOSのゲートに各々
供給する。CMOSインバータ13及び14は各々出力
Q’及びQを各々供給するバッファ回路を構成する。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing the same embodiment in the case where a transfer gate is constituted by CMOS.
It is composed of a flip-flop circuit and a slave flip-flop circuit. That is, in the master flip-flop, the input / output terminal of the CMOS inverter 1 is a P-type channel MOS.
Through a CMOS transistor gate 3, 4 composed of a transistor and an N-type channel MOS transistor.
A flip-flop element is formed by interconnecting the input and output terminals of the MOS inverter 2. Similarly, in the slave flip-flop, the input / output terminal of the CMOS inverter 5 is connected to the CM via the CMOS transfer gates 7 and 8.
A flip-flop element is formed by interconnecting the input and output terminals of the OS inverter 6. The CM on the master side
Output signals of the OS inverters 1 and 2 are transmitted to the input sides of the CMOS inverters 5 and 6 on the slave side via the CMOS transfer gates 9 and 10, respectively. On the other hand, the output signals of the CMOS inverters 5 and 6 on the slave side are CMOS
The signal is fed back to the input terminals of the master-side CMOS inverters 1 and 2 via the transfer gates 11 and 12. The positive-phase timing pulse C is transferred to the transfer gates 7, 8,
11, 12 PMOS and transfer gate 3,
4, 9 and 10 respectively supplied to the gates of the NMOS, while
A timing pulse C ′ having a phase opposite to the above-mentioned timing pulse is generated through the CMOS inverter 15 and supplied to the PMOSs of the transfer gates 3, 4, 9, and 10 and the NMOS gates of the transfer gates 7, 8, 11, and 12, respectively. . The CMOS inverters 13 and 14 form buffer circuits for supplying outputs Q ′ and Q, respectively.

【0019】ここで図1の回路動作を説明するに当り、
の場合と同様の初期状態、即ちクロック信号すなわ
ち正相のタイミングパルスC=H(highレベル)、
出力Q=L(lowレベル)と定める。トランスファー
ゲート3,4,9,10は導通状態となり、トランスフ
ァーゲート7,8,11,12は非導通状態となる。マ
スター側のフリップフロップ要素は信号の保持状態にあ
ると共に、導通状態となっているトランスファーゲート
9,10を介して‘H’レベル及び‘L’レベルの信号
がスレーブ側のCMOSインバータ5,6に各々伝達さ
れている。また、スレーブ側のCMOSインバータ5,
6の出力はマスター側のフリップフロップ要素に帰還さ
れている。
Here, in describing the circuit operation of FIG. 1,
Similar initial state as in FIG. 4, i.e. the clock signal Sunawa
A positive-phase timing pulse C = H (high level);
Output Q = L (low level). The transfer gates 3, 4, 9, and 10 are turned on, and the transfer gates 7, 8, 11, and 12 are turned off. The flip-flop element on the master side is in a signal holding state, and signals of “H” level and “L” level are sent to the CMOS inverters 5 and 6 on the slave side via the transfer gates 9 and 10 in the conductive state. Each is transmitted. Also, the CMOS inverter 5 on the slave side,
The output of 6 is fed back to the master side flip-flop element.

【0020】次にクロック信号が‘L’レベルに変化
すると、トランスファーゲート3,4,9,10が非導
通状態、トランスファーゲート7,8,11,12が導
通状態となる。その結果、スレーブ側のフリップフロッ
プ要素は信号の保持状態にあると共に、CMOSインバ
ータ5,6から導通状態となっているトランスファーゲ
ート12,11を介して‘L’レベル及び‘H’レベル
の信号がマスター側のCMOSインバータ2,1に各々
帰還される。出力Qは依然として‘L’レベルである。
Next, when the clock signal C changes to the "L" level, the transfer gates 3, 4, 9, and 10 are turned off, and the transfer gates 7, 8, 11, and 12 are turned on. As a result, the flip-flop element on the slave side is in a signal holding state, and the signals of the “L” level and the “H” level are transmitted from the CMOS inverters 5 and 6 via the transfer gates 12 and 11 which are in a conductive state. The signals are fed back to the master-side CMOS inverters 2 and 1, respectively. Output Q is still at the 'L' level.

【0021】次にクロック信号が‘H’レベルに変化す
ると、トランスファーゲート3,4,9,10が導通状
態、トランスファーゲート7,8,11,12が非導通
状態となる。マスター側のフリップフロップ要素は信号
の保持状態になると共に、CMOSインバータ1,2か
ら導通状態となっているトランスファーゲート9,10
を介して‘L’レベル及び‘H’レベルの信号がスレー
ブ側のCMOSインバータ5,6に各々伝達される。そ
の結果、出力Qは‘H’レベルの信号に反転する。以上
のようなクロック信号変化で同様の変化を繰り返すた
め、図1の回路動作は図2の波形図のようになる。
Next, when the clock signal changes to the "H" level, the transfer gates 3, 4, 9, and 10 are turned on, and the transfer gates 7, 8, 11, and 12 are turned off. The flip-flop element on the master side is in a state of holding a signal, and the transfer gates 9 and 10 which are in a conductive state from the CMOS inverters 1 and 2.
, The signals of the “L” level and the “H” level are transmitted to the CMOS inverters 5 and 6 on the slave side, respectively. As a result, the output Q is inverted to an “H” level signal. Since the same change is repeated by the above clock signal change, the circuit operation of FIG. 1 is as shown in the waveform diagram of FIG.

【0022】なお、図1の回路において、トランスファ
ーゲート12の入力端が図4または図6における入力D
に相当し、トランスファーゲート11の入力端が入力
D’(入力Dの反転入力)に相当する。図1の回路は、
上述した動作を行うので、入力DおよびD’が不定であ
っても、クロック信号が入力されるとその2倍の周期の
Qを出力するものである。以上が本発明のスタティック
型フリップフロップの簡単な動作説明であるが、図6に
示した従来のスタティック型フリップフロップよりも高
速に動作する要因は以下の3点にまとめられる。
In the circuit shown in FIG.
The input terminal of the gate 12 is the input D in FIG. 4 or FIG.
And the input end of the transfer gate 11
D ′ (inverted input of input D). The circuit of FIG.
Since the above-described operation is performed, the inputs D and D ′ are undefined.
Even if the clock signal is input,
Q is output. The above is a brief description of the operation of the static flip-flop of the present invention. Factors that operate faster than the conventional static flip-flop shown in FIG. 6 are summarized in the following three points.

【0023】第1点はフリップフロップ要素間の信号伝
達を担うトランスファーゲート9,10,11,12に
おける信号伝達の高速化である。本発明の回路では、上
記のトランスファー・ゲートが非導通状態から導通状態
に遷移する直前の両端の電位差(トランスファー・ゲー
トを構成するMOSトランジスタのソース・ドレイン間
電圧に相当)は常にほぼ電源電圧分(Highレベルと
Lowレベルとの電位差に相当)に確保されている。従
って、タイミングパルスが変化してゲートが導通状態に
なった直後から大きな電流が流れるため次段のCMOS
インバータのゲート容量を短時間で充放電出来る。図6
に示した従来のスタティック型フリップフロップ回路に
おけるトランスファー・ゲート61,65の両端の電位
差は本発明の回路と異なり電源電圧分の電位差は常に確
保されるとは限らない。
The first point is that the speed of signal transmission in the transfer gates 9, 10, 11, and 12 for transmitting signals between flip-flop elements is increased. In the circuit of the present invention, the potential difference between both ends immediately before the transfer gate changes from the non-conductive state to the conductive state (corresponding to the source-drain voltage of the MOS transistor forming the transfer gate) is almost always equal to the power supply voltage. (Corresponding to the potential difference between High level and Low level). Accordingly, a large current flows immediately after the timing pulse changes and the gate is turned on, so that the next CMOS
The gate capacity of the inverter can be charged and discharged in a short time. FIG.
Unlike the circuit of the present invention, the potential difference between both ends of the transfer gates 61 and 65 in the conventional static flip-flop circuit shown in (1) is not always ensured by the power supply voltage.

【0024】第2点はフリップフロップ要素を構成する
CMOSインバータ1,2の容量負荷の低減による信号
伝搬の高速化である。図6に示した従来のスタティック
型フリップフロップ回路ではCMOSインバータ63の
容量負荷としてCMOSインバータ64のゲート容量と
トランスファー・ゲート65の接合容量が存在する。一
方、本発明の回路ではCMOSインバータ1及び2の容
量負荷は各々トランスファー・ゲート9,4及び10,
3の接合容量である。トランジスタの微細化が進んでゲ
ート酸化膜が薄くなると、ゲート容量に比べ接合容量の
方が相対的に小さくなる。従って、同じサイズのトラン
ジスタで回路を構成した場合、本発明の回路の負荷容量
の方が小さくなる。
The second point is that the speed of signal propagation is increased by reducing the capacitive load of the CMOS inverters 1 and 2 constituting the flip-flop element. In the conventional static flip-flop circuit shown in FIG. 6, a gate capacitance of the CMOS inverter 64 and a junction capacitance of the transfer gate 65 exist as a capacitive load of the CMOS inverter 63. On the other hand, in the circuit of the present invention, the capacitive loads of the CMOS inverters 1 and 2 are transfer gates 9, 4, and 10, respectively.
3 is the junction capacitance. As the size of the gate oxide film becomes thinner as the transistor becomes finer, the junction capacitance becomes relatively smaller than the gate capacitance. Therefore, when a circuit is formed by transistors of the same size, the load capacitance of the circuit of the present invention is smaller.

【0025】第3点は本発明の回路は両相信号を並行に
マスターフリップフロップとスレーブフリップフロップ
間で伝達しているので、分周動作に必要な出力Qの反転
信号を生成するために、CMOSインバータを介する必
要がないことである。図に示したように、CMOSイ
ンバータ5,6の出力を逆相の信号ラインに帰還させて
いる。一方、従来回路では、CMOSインバータ69を
介して逆相信号を帰還させている。また、トランスファ
ーゲート65の出力を帰還させる場合では、信号経路に
トランスファーゲートが2段続くことになり、動作が不
安定になると同時に駆動力がないので信号遅延が大きく
なる。
Third, since the circuit of the present invention transmits two-phase signals in parallel between the master flip-flop and the slave flip-flop, in order to generate an inverted signal of the output Q required for the frequency division operation, There is no need to go through a CMOS inverter. As shown in FIG. 1 , the outputs of the CMOS inverters 5 and 6 are fed back to the opposite-phase signal lines. On the other hand, in the conventional circuit, the reverse phase signal is fed back via the CMOS inverter 69. In the case where the output of the transfer gate 65 is fed back, two stages of transfer gates continue in the signal path, and the operation becomes unstable and there is no driving force, so that the signal delay increases.

【0026】0.2μm級のゲート長を有したCMOSプ
ロセスを用いて上記の回路を構成した場合の、最高分周
動作周波数の電源電圧依存性を図3に示す。電源電圧2
V以上では図4に示したダイナミック型フリップフロッ
プと同程度の高速動作性能を示す。電源電圧2V以下で
も、図6に示した従来のスタティック型フリップフロッ
プよりも高い高速性能を示す。また、原理的に信号保持
動作を伴うので、低周波動作時にも安定した性能を示
す。
FIG. 3 shows the power supply voltage dependency of the highest frequency-divided operation frequency when the above-described circuit is formed using a CMOS process having a gate length of 0.2 μm class. Power supply voltage 2
At V or higher, high-speed operation performance comparable to that of the dynamic flip-flop shown in FIG. 4 is exhibited. Even at a power supply voltage of 2 V or less, it shows higher speed performance than the conventional static flip-flop shown in FIG. In addition, since a signal holding operation is involved in principle, stable performance is exhibited even at a low frequency operation.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のスタティ
ック型CMOSフリップフロップ回路を用いることによ
り、動作周波数によらず安定な動作を確保し、2Vの低
電源電圧で最高3GHzの高速分周動作が可能になる。
これにより、次期の移動体通信機器の周波数シンセサイ
ザー等に使われるプリスケーラー回路等をCMOS化す
ることが可能になるので、これらの機器に使われるIC
の完全CMOS化が実現され、システムの低消費電力化
と低コスト化を図ることが出来る。
As described above, by using the static CMOS flip-flop circuit of the present invention, a stable operation is ensured irrespective of the operating frequency, and a high-speed frequency dividing operation of a maximum of 3 GHz with a low power supply voltage of 2V. Becomes possible.
This makes it possible to use CMOS for prescaler circuits and the like used in frequency synthesizers and the like of next-generation mobile communication devices.
Is realized, and the power consumption and cost of the system can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】図1の実施例の動作を説明するための信号波形
図である。
FIG. 2 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the embodiment of FIG.

【図3】従来回路及び本発明による回路の最高分周動作
周波数の電源電圧依存特性図である。
FIG. 3 is a power supply voltage dependence characteristic diagram of the maximum frequency-divided operation frequency of the conventional circuit and the circuit according to the present invention.

【図4】従来のCMOSダイナミック型フリップフロッ
プ回路の1例を示す回路図である。
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a conventional CMOS dynamic flip-flop circuit.

【図5】図4の従来例の動作を説明するための信号波形
図である。
FIG. 5 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the conventional example of FIG.

【図6】従来のCMOSスタティック型フリップフロッ
プ回路の1例を示す回路図である。
FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of a conventional CMOS static flip-flop circuit.

【図7】図6の従来例の動作を説明するための信号波形
図である。
FIG. 7 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the conventional example of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2,5,6 CMOSインバータ 3,4,7,8,9,10,11,12 CMOSトラ
ンスファーゲート 41,45 Pチャネルトランジスタ 42,46 Nチャネルトランジスタ 43,47,50 CMOSインバータ 44,48,49 クロックドインバータ 61,62,65,66 トランスファーゲート 63,64,67,68,69,70 インバータ
1,2,5,6 CMOS inverter 3,4,7,8,9,10,11,12 CMOS transfer gate 41,45 P-channel transistor 42,46 N-channel transistor 43,47,50 CMOS inverter 44,48, 49 Clocked Inverter 61,62,65,66 Transfer Gate 63,64,67,68,69,70 Inverter

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1のCMOSインバータの出力端を第
1のトランスファーゲートを介して第2のCMOSイン
バータの入力端に接続し、第2のCMOSインバータの
出力端を第2のトランスファーゲートを介して前記第1
のCMOSインバータの入力端に接続してなるマスター
・フリップフロップ要素と、 第3のCMOSインバータの出力端を第3のトランスフ
ァーゲートを介して第4のCMOSインバータの入力端
に接続し、第4のCMOSインバータの出力端を第4の
トランスファーゲートを介して前記第3のCMOSイン
バータの入力端に接続してなるスレーブ・フリップフロ
ップ要素を具備し、 前記マスター・フリップフロップ要素の前記第1及び第
2のCMOSインバータの出力端が第5及び第6のトラ
ンスファーゲートを介して前記スレーブ・フリップ・フ
ロップ要素の第3及び第4のCMOSインバータの入力
端に各々接続され、 前記スレーブ・フリップフロップ要素の前記第3及び第
4のCMOSインバータの出力信号が第7及び第8のト
ランスファーゲートを介して前記マスター・フリップフ
ロップ要素の前記第2及び第1のCMOSインバータの
入力端に各々帰還され、 タイミングパルスが前記第1,第2,第5,第6のトラ
ンスファーゲートのゲートに、該タイミングパルスと逆
相のタイミングパルスが前記第3,第4,第7,第8の
トランスファーゲートのゲートに供給され、 前記第1乃至第8の各トランスファゲートがCMOSト
ランスファゲートであり、 前記第1乃至第4の各CMOSインバータおよび前記第
1乃至第8の各トランスファーゲートが、ゲート容量に
比べ接合容量の方が小さいトランジスタで構成されてい
ることを特徴とする スタティック型CMOS・フリップ
フロップ回路。
1. An output terminal of a first CMOS inverter is connected to an input terminal of a second CMOS inverter via a first transfer gate, and an output terminal of the second CMOS inverter is connected via a second transfer gate. The first
A master flip-flop element connected to the input terminal of the CMOS inverter, and the output terminal of the third CMOS inverter connected to the input terminal of the fourth CMOS inverter via the third transfer gate. A slave flip-flop element having an output terminal of a CMOS inverter connected to an input terminal of the third CMOS inverter via a fourth transfer gate; and the first and second slave flip-flop elements of the master flip-flop element. Of the slave flip-flop element are connected to input terminals of third and fourth CMOS inverters of the slave flip-flop element via fifth and sixth transfer gates, respectively. The output signals of the third and fourth CMOS inverters are connected to the seventh and eighth transistors. The timing pulse is fed back to the input terminals of the second and first CMOS inverters of the master flip-flop element via a transfer gate, and a timing pulse is supplied to the gates of the first, second, fifth and sixth transfer gates. Then, a timing pulse having a phase opposite to that of the timing pulse is supplied to the gates of the third, fourth, seventh, and eighth transfer gates, and each of the first to eighth transfer gates is a CMOS transistor .
A transfer gate, wherein each of the first to fourth CMOS inverters and the
Each of the first to eighth transfer gates corresponds to a gate capacitance.
Comparing transistors with smaller junction capacitance
A static CMOS flip-flop circuit.
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