JP3299290B2 - 高速cmosフリップフロップ - Google Patents

高速cmosフリップフロップ

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JP3299290B2
JP3299290B2 JP23374291A JP23374291A JP3299290B2 JP 3299290 B2 JP3299290 B2 JP 3299290B2 JP 23374291 A JP23374291 A JP 23374291A JP 23374291 A JP23374291 A JP 23374291A JP 3299290 B2 JP3299290 B2 JP 3299290B2
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/353Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use, as active elements, of field-effect transistors with internal or external positive feedback
    • H03K3/356Bistable circuits
    • H03K3/3562Bistable circuits of the master-slave type
    • H03K3/35625Bistable circuits of the master-slave type using complementary field-effect transistors

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、フリップフロップに関
し、特にCMOS論理回路に組み込まれた高速クロック
に同期して動作するD型フリップフロップに関する。
【0002】
【従来の技術】金属酸化物半導体(MOS)装置はその
幾何学的に簡単な構成、非常に小さな物理的大きさ、お
よび極めて小さな電力消費のために集積回路の設計上広
く使用されている。これらの特性は、1平方インチより
極めて小さな面積の一回路内に数千個のMOSトランジ
スタを含めることを可能にする。
【0003】上記利点にも関わらずMOS論理ゲートは
高速の演算を必要とする用途には必ずしも最適ではな
い。このような用途はもっと高速のTTL(トランジス
タ・トランジスタ論理回路)またはECL(エミッタ結
合論理回路)でよりよく実現できる。一般的にTTLお
よびECLゲートはMOS論理回路ゲートより高速では
あるが、はるかに多量の電力を消費する。
【0004】大規模集積回路および超大規模集積回路
(VLI)の設計および開発を簡単化して迅速化するた
め、NCRコーポレーションその他の半導体製造業者は
普遍的に使用される論理回路のライブラリーを作ってい
る。これらの論理回路の機能は、「セル」と呼ばれ、ゲ
ートおよびラッチ若しくはラム(RAM)、ロム(RO
M)およびプログラマブル論理アレー(PLA)等のよ
り複雑な構造体を含むことができる。加えて、これらの
セルは論理ゲートアレーあるいは「セルマクロ」アレー
から構成することができ、これらの論理素子は基本的ゲ
ートよりも高度の論理機能を行なうことができる。ライ
ブラリーを作った後、システムの設計者は新規な集積回
路の設計において以前に設計し検査したものの中で、現
に設計している新規な集積回路に必要な機能を果たすも
のをライブラリーで検索してこれを複製することができ
る。セルライブラリーの使用によって複雑な成分の設計
に必要な設計労力が実質的に低減できる。
【0005】新規な集積回路の設計に繰り返して要求さ
れることの一つは高速フリップフロップの必要性であ
る。セルライブラリーで現在使用されているフリップフ
ロップは設計上、フリップフロップの設計が需要者の要
求する特定の用途に十分応えるほどに高速化できていな
い。
【0006】代表的な先行技術CMOS(相補金属酸化
物半導体)クロック同期D型フリップフロップが図1に
示されている。この略線図は1987年版テキサスイン
スツルメントインコーポレーテッド発行の「高速CMO
S論理データブック」の2-89ページに記載されてい
る。このフリップフロップは送信ゲート10、12、ナ
ンド(NAND)ゲート14、およびネガティブ論理入
力オア(OR)ゲート16からなる主部を含んでいる。
この主部の出力、すなわちナンドゲート14の出力は、
送信ゲート20、22、ナンドゲート24およびネガテ
ィブ論理入力オアゲート26を含む従属部に与えられ
る。ゲート16、24はナンドゲートで代えることがで
きる。これらの送信ゲートはクロック信号Cによって制
御される。その場合低レベルのクロック信号状態LOW
は送信ゲート10、22をアクティブにすると共にナン
ドゲート12、20を非アクティブにし、また高レベル
クロック信号状態HIGHは送信ゲート10、22を非
アクティブにすると共に送信ゲート12、20をアクテ
ィブにする。
【0007】図1の回路の動作は以下のとおりである。
初めクロックがHIGHで、その結果送信ゲート10、
22が非アクティブであり、送信ゲート12、20がア
クティブであるときを考えよう。フリップフロップは先
行のクロックサイクルから得たデータをその出力端に有
する。ここでクロックがLOWになると、送信ゲート1
0、22はアクティブとなり、送信ゲート12、20は
非アクティブとなる。入力端Dに受信されたデータは主
部の出力端に相補信号となって現われる。その後クロッ
クがHIGHになると、送信ゲート12、20はアクテ
ィブとなり、送信ゲート10、22は非アクティブにな
る。主部の出力端に存在するデータ状態は、フリップフ
ロップのQ出力端に転送される。入力端Dから出力端Q
へデータを転送するには完全な一クロックサイクルが必
要である。
【0008】D入力端およびクロック入力のレベルの如
何に関わらず、出力をセットし、またはリセットするた
め、それぞれプリセット(PRE/)および解除(CL
R/)信号が与えられる。フリップフロップを通るデー
タ路線が唯一しかないこと、また出力Q/が出力Qを反
転することにより発生されることに注目されたい。この
ようにして出力Q/はナンドゲート26を伝幡する分だ
け出力Qよりも遅延する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明は先行技
術のCMOSフリップフロップよりもはるかに高速な新
規かつ改良されたCMOSフリップフロップを与えるこ
とを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するべ
く、本発明は、二進入力信号を受信する第一入力端及び
該二進入力信号の相補信号を受信する第二入力端と、二
進出力信号を与えるQ出力端及び該二進出力信号の相補
信号を与えるQ/出力端と、前記第一入力端で受信した
前記二進入力信号の状態を前記Q出力端に与える第一デ
ータ路線と、前記第二入力端で受信した前記相補二進入
力信号の状態を前記Q/出力端に与える第二データ路線
と、主回路及び従属回路と、から構成され、前記主回路
は、クロック信号に応答して、該クロック信号が第一の
二進状態になったときには前記従属回路に二進出力信号
を供給し、該クロック信号が第二の二進状態になったと
きには最後の二進出力信号を維持するべく、第一の三状
態インバータと、第二の三状態インバータと、第三の三
状態インバータ及び第四の三状態インバータとを有し、
前記第一の三状態インバータは、前記二進入力信号受信
するように接続され、前記第二の三状態インバータは、
前記相補二進入力信号を受信するように接続され、前記
第三の三状態インバータは、前記第二の三状態インバー
タの出力に接続された入力と、前記第一の三状態インバ
ータの出力に接続された出力とを有し、該出力は前記主
回路の第一の出力を形成し、前記第四の三状態インバー
タは、前記第一の三状態インバータの出力に接続された
入力と、前記第二の三状態インバータの出力に接続され
た出力とを有し、該出力は前記主回路の第二の出力を形
成し、前記従属回路は、前記クロック信号に応答して、
該クロック信号が第一の二進状態になったときには前記
Q出力端と前記Q/出力端に二進出力信号を供給し、該
クロック信号が第二の二進状態になったときには最後の
二進出力信号を維持するべく、第五の三状態インバータ
と、第六の三状態インバータと、第七の三状態インバー
タ及び第八の三状態インバータとを有し、前記第五の三
状態インバータは、前記第一の三状態インバータと前記
第三の三状態インバータの出力を受信する入力と、前記
Q出力端に接続された出力とを有し、前記第六の三状態
インバータは、前記第二の三状態インバータと前記第四
の三状態インバータの出力を受信する入力と、前記Q/
出力端に接続された出力とを有し、前記第七の三状態イ
ンバータは、前記第六の三状態インバータの出力に接続
された入力とを有し、前記Q出力端に接続された出力を
有し、前記第八の三状態インバータは、前記第五の三状
態インバータの出力に接続された入力とを有し、前記Q
/出力端に接続された出力を有し、第一の三状態インバ
ータと、第二の三状態インバータと、第七の三状態イン
バータ及び第八の三状態インバータは、前記クロック信
号が前記第一の二進状態になったときに出力を生じさ
せ、第三の三状態インバータと、第四の三状態インバー
タと、第五の三状態インバータ及び第六の三状態インバ
ータは、前記クロック信号が前記第二の二進状態になっ
たときに出力を生じさせる、ように構成されたことを特
徴とするD型CMOSフリップフロップを提供するもの
である。
【0011】ここに述べる実施例では、フリップフロッ
プはクロック同期されたCMOS・D型フリップフロッ
プであって、4個の三状態インバータを含む。その回路
設計はセルライブラリーで使用できるようにされてお
り、回路内にクロックイネーブル装置を含んでいる。
【0012】本発明の上記課題その他の課題、特徴、お
よび利点は、添付の図面と以下の詳細な説明から明かと
なろう。
【0013】
【実施例】図2を参照すると、本発明に基づく高速CM
OS・D型フリップフロップ200が示されている。こ
のフリップフロップは二つの入力端201、203、主
部210、従属部220、二つの出力端205、207
およびクロックイネーブル回路230を含む。この主部
は4個のCMOS三状態インバータ212、214、2
16、218(以下これらをそれぞれTI212、TI
214、TI216、TI218という)を含む。TI
212の入力端は入力端201に接続される。同様にT
I214の入力端は入力端203に接続される。TI2
16はその入力端がTI214、TI218の出力端に
接続され、その出力端がTI212の出力端に出力端に
接続される。同様にTI218はその入力端がTI21
2とTI216の出力端に接続され、その出力端がTI
214の出力端に接続される。データ路線247はTI
212とTI216に接続されており、主部210の出
力端の一つを形成する。また路線249はTI214と
TI218の出力端に接続されており、主部の第二出力
端を形成する。
【0014】従属部220は構成上、主部210と同一
である。この従属部は以下に述べるように相互接続され
たCMOS型の三状態インバータ222、224、22
6、228を含む。TI222はその入力端が路線24
7に接続される。TI224はその入力端が路線249
に接続される。TI226はその入力端がTI224と
TI228の出力端に接続され、出力端がTI222の
出力端に接続される。TI228はその入力端がTI2
22とTI226の出力端に接続され、出力端がTI2
24の出力端に接続される。TI222とTI226の
出力端は出力端205に接続され、TI224とTI2
28の出力端は出力端207に接続される。
【0015】上記の三状態インバータはそれぞれ、クロ
ック信号および相補クロック信号を受信するためのp制
御入力端とn制御入力端を含む。TI212、TI21
4、TI226、TI228のn制御入力端、およびT
I216、TI218、TI222、TI224のp制
御入力端はクロック信号Cを受信するように接続されて
いるが、TI212、TI214、TI226、TI2
28のp制御入力端およびTI216、TI218、T
I222、TI224のn制御入力端は、相補クロック
信号Q/を受信するように接続される。各三状態インバ
ータは出力信号を発生するが、これらの出力信号は、そ
のp制御入力端に低レベル信号LOWを受信すると共に
n制御入力端に高レベル信号HIGHを受信するときに
その入力端に受信した信号の相補信号である。
【0016】また図2を参照すると、クロック同期され
たイネーブル回路230が示されている。この回路は、
信号CおよびC/の発生を制御するためのフリップフロ
ップ回路と共に含めることができる。このイネーブル回
路はナンドゲート235、239を含む。各ナンドゲー
トは外部クロック信号Clkおよびイネーブル信号En
blを受信するように接続される入力端を有する。ゲー
ト235の出力はインバータ237に与えられて信号C
を発生する。ゲート239の出力は直列接続されたイン
バータ241、243に与えられ、信号C/を発生す
る。イネーブル信号が高レベルHIGHに保持されてい
るときは、信号CおよびC/が発生される。信号Cはク
ロック信号Clkに等しく、信号C/は信号Clkの補
数である。イネーブル信号が低レベルLOWであるとき
は信号Cが低レベルLOWに保持され、信号C/が高レ
ベルHIGHに保持される。
【0017】このフリップフロップ回路の動作は以下の
通りである。初め、クロック信号CがLOWであるとし
よう。三状態インバータ212、214はディスエーブ
ル化され(disabled)、それゆえ入力線201、203
からフリップフロップに提供されるデータは回路に受理
されない。三状態インバータ216、218、222、
224はすべてイネーブル化され、最後に受信したDお
よびD/の値に出力信号QおよびQ/を維持すべく以下
に述べるように動作する。
【0018】クロック信号Cの状態が高レベル状態HI
GHに変化するとき、三状態インバータ216、21
8、222、224はディスエーブル化され、出力しな
い。出力信号QよびQ/は、イネーブル化された三状態
インバータ226、228による信号Cの状態変化前の
値に維持される。TI226がQ/を反転することによ
りQ信号を発生する一方、TI228が同時にQを反転
してQ/を発生する。クロック信号Cの高レベルHIG
HはTI212、TI214をイネーブル化し、これら
はそれぞれ入力信号DおよびD/を反転する。反転され
たD入力信号は信号D/に等価で、TI222をディス
エーブル化すべく路線247上に与えられる。反転され
た信号D/は信号Dに等価で、TI224をディスエー
ブル化すべく路線249上に与えられる。クロック信号
Cが高レベル状態HIGHを得るときは出力線205、
207上に新たなデータが置かれることはない。
【0019】クロック信号Cの状態変化がHIGHから
LOWに変化するとき、TI212およびTI214が
ディスエーブル化される。TI216およびTI218
はイネーブル化され、路線247、249上にある信号
状態を、信号CのLOW状態への変化前の値に維持す
る。TI222およびTI224はイネーブル化され、
路線247および249上にラッチされている値をそれ
ぞれ反転する。この場合これら二つの三状態インバータ
の出力が新たに出力信号QおよびQ/となる。TI22
6およびTI228はディスエーブル化される。
【0020】上記の回路動作はクロック信号Cの状態変
化に伴って継続する。クロック信号Cの高レベル状態H
IGHの期間中に入力端201、入力端203に存在す
るデータはそれぞれ、信号CがHIGHからLOWに状
態変化する度にQおよびQ/出力端に与えられ、次回に
信号CがHIGHからLOWに変わるまでラッチされ
る。さらにフリップフロップに上記イネーブル回路を含
めると、フリップフロップの動作に関する別の追加的制
御が可能となる。信号EnblについてのLOW状態は
クロック信号CをLOW状態に設定し、三状態インバー
タ212、214、226、228をイネーブル化す
る。これらの三状態インバータの状態は信号Enblが
状態HIGHになるまで変化できない。
【0021】図3は本発明に基づき非同期リセット部を
含む高速、CMOS型、D型フリップフロップの略線図
である。このリセット部の特徴は図2のTI216、T
I228をクロック同期ナンドゲート316、328で
代えることにより与えられる。リセット信号RST/が
線301を介してクロック同期された各ナンドゲートの
一入力端に与えられる。信号RST/がHIGHである
ときは、図3回路の動作は前述した図2回路の動作と同
一である。信号RST/がLOWであるときは、出力信
号QおよびQ/はそれぞれLOWおよびHIGHに設定
される。しかしながら、クロック同期されたナンドゲー
ト318、328をフリップフロップに含めると、本回
路の動作速度は低下する。
【0022】以上詳しく述べたように、本発明は、新規
且つ改良されたD型CMOSフリップフロップ回路を提
供する。本発明においては、三状態インバータとD入力
端子及びD/入力端子に対するパラレルデータ線の使用
により、D/データ信号及びQ/データ信号を発生させ
る必要がなく、従来技術に係るCMOSフリップフロッ
プよりもはるかに高速なクロック速度で動作することを
実現した。
【0023】この回路設計は標準セルライブラリーある
いはゲートアレーライブラリーとして使用するように意
図されている。図2の回路のシミュレーションが行なわ
れ、他の標準セルおよびゲートアレーと比較したとこ
ろ、先行技術高速フリップフロップライブラリー例に比
べて40%高速であった。本発明の回路は市販の動作条
件の下で最大クロック速度200メガヘルツの速度でま
で動作しうる。
【0024】本回路は外部ゲートを介してクロック同期
を受ける結果もたらされるクロックスキューの効果を最
小限にするように設計されている。これを達成するには
図2および図3に示すようにセル設計者がスキューを制
御できるフリップフロップ内部にクロックイネーブル回
路を含めればよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】CMOS技術により与えられる先行技術D型フ
リップフロップの論理線図である。
【図2】本発明による高速CMOS・D型フリップフロ
ップの論理線図である。
【図3】本発明による、非同期リセット装置を含んだ高
速CMOS・D型フリップフロップの論理回路図であ
る。
【符号の説明】
200 フリップフロップ 230 クロックイネーブル回路 212ないし218 相補型金属酸化物半導体(CMO
S)三状態インバータ 222ないし228 相補型金属酸化物半導体(CMO
S)三状態インバータ 247、249 データ路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 592089054 エヌシーアール インターナショナル インコーポレイテッド NCR International, Inc. アメリカ合衆国 45479 オハイオ、デ イトン サウス パターソン ブールバ ード 1700 (73)特許権者 595026416 シンバイオス・インコーポレイテッド アメリカ合衆国 コロラド州 80525 フォート コリンズ ダンフィールド コート 2001 (72)発明者 ハロルド エス. クラーフツ アメリカ合衆国 80525 コロラド、フ ォート コリンズ、ネルソン レイン 3243 (72)発明者 ロバート ディー. ウォールドラン アメリカ合衆国 80526 コロラド、フ ォート コリンズ、チャパラル ドライ ブ 2712 (56)参考文献 特開 平2−34018(JP,A) 特開 平1−248820(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 二進入力信号を受信する第一入力端及び
    該二進入力信号の相補信号を受信する第二入力端と、二
    進出力信号を与えるQ出力端及び該二進出力信号の相補
    信号を与えるQ/出力端と、前記第一入力端で受信した
    前記二進入力信号の状態を前記Q出力端に与える第一デ
    ータ路線と、前記第二入力端で受信した前記相補二進入
    力信号の状態を前記Q/出力端に与える第二データ路線
    と、主回路及び従属回路と、から構成され、 前記主回路は、クロック信号に応答して、該クロック信
    号が第一の二進状態になったときには前記従属回路に二
    進出力信号を供給し、該クロック信号が第二の二進状態
    になったときには最後の二進出力信号を維持し、 前記主回路は、第一の三状態インバータと、第二の三状
    態インバータと、第三の三状態インバータ及び第四の三
    状態インバータとを有し、 前記第一の三状態インバータは、前記二進入力信号受信
    するように接続され、 前記第二の三状態インバータは、前記相補二進入力信号
    を受信するように接続され、 前記第三の三状態インバータは、前記第二の三状態イン
    バータの出力に接続された入力と、前記第一の三状態イ
    ンバータの出力に接続された出力とを有し、該出力は前
    記主回路の第一の出力を形成し、 前記第四の三状態インバータは、前記第一の三状態イン
    バータの出力に接続された入力と、前記第二の三状態イ
    ンバータの出力に接続された出力とを有し、該出力は前
    記主回路の第二の出力を形成し、 前記従属回路は、前記クロック信号に応答して、該クロ
    ック信号が第一の二進状態になったときには前記Q出力
    端と前記Q/出力端に二進出力信号を供給し、該クロッ
    ク信号が第二の二進状態になったときには最後の二進出
    力信号を維持し、 前記従属回路は、第五の三状態インバータと、第六の三
    状態インバータと、第七の三状態インバータ及び第八の
    三状態インバータとを有し、 前記第五の三状態インバータは、前記第一の三状態イン
    バータと前記第三の三状態インバータの出力を受信する
    入力と、前記Q出力端に接続された出力とを有し、 前記第六の三状態インバータは、前記第二の三状態イン
    バータと前記第四の三状態インバータの出力を受信する
    入力と、前記Q/出力端に接続された出力とを有し、 前記第七の三状態インバータは、前記第六の三状態イン
    バータの出力に接続された入力とを有し、前記Q出力端
    に接続された出力を有し、 前記第八の三状態インバータは、前記第五の三状態イン
    バータの出力に接続された入力とを有し、前記Q/出力
    端に接続された出力を有し、 第一の三状態インバータと、第二の三状態インバータ
    と、第七の三状態インバータ及び第八の三状態インバー
    タは、前記クロック信号が前記第一の二進状態になった
    ときに出力を生じさせ、 第三の三状態インバータと、第四の三状態インバータ
    と、第五の三状態インバータ及び第六の三状態インバー
    タは、前記クロック信号が前記第二の二進状態になった
    ときに出力を生じさせる、 ように構成されたことを特徴とするD型CMOSフリッ
    プフロップ。
JP23374291A 1990-08-24 1991-08-22 高速cmosフリップフロップ Expired - Lifetime JP3299290B2 (ja)

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