DE2032318A1 - Feldeffekttransistor Schieberegister stufe - Google Patents

Description

Böblingen, 24. Juni 1970 bu-sk

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10 504

Amt!.Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenz.d.Anmelderin: Docket YO 968 103

Feldeffekttransistor-Schieberegisterstufe

Die Erfindung betrifft eine Feldeffekttransistor-Schieberegisterstufe mit zwei Schaltungsabschnitten, nämlich einem impulsgetasteten Eingangsabschnitt und einem gegenüber dem Eingangsabschnitt zu je nachfolgenden Zeitintervallen impulsgetasteten Ausgangsabschnitt, welche je aus einem Daten-Feldeffekttransistor, dessen isoliertem Toranschluß die Datenimpulse zugeführt werden, und aus hierzu in Serie hinsichtlich der Kanäle liegenden Trenntransistoren bestehen, wobei unter Ausnutzung von Streukapazitäten die Toranschlüsse der Daten-Feldeffekttransistoren mit den Daten-Feldeffekttransistoren des jeweils vorgeschalteten Schaltungsabschnittes über den Kanal des im vorgeschalteten Schaltungsabschnitt liegenden Trenntransistors gekoppelt sind.

Eine Schaltung dieser Art ist in der schweizerischen Patentschrift Nr. 442 427 beschrieben. Hierin stellt die Schaltungsanordnung ein dynamisches Schieberegister dar, worin für jede Schieberegisterstufe ein Gleichspannungs-Haltekreis als Ersatz für die geradzahligen Schaltungsabschnitte dient, um nach Bedarf die in das Schieberegister eingegebene Information auf die erwünschte Dauer speichern zu können. Diese Gleichspannungs-

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Haltekreise können aus Flip-flops, Multivibratoren und dergl. bestehen.

Es ist nun aber offensichtlich, daß sich bei einer solchen Schaltungsanordnung durch den Ersatz eines an sich in seinem Aufbau einfachen Schaltungsabschnittes durch eine der genannten bistabilen Schaltungsanordnungen für Speicherzwecke ein unverhältnismässig großer Aufwand ergibt. Außerdem entspricht das Verhalten einer solchen Schaltungsanordnung dann dem eines statischen Schieberegisters.

Es ist zwar auch bekannt, mit Hilfe dynamischer Schieberegister je nach Bedarf Informationen zu speichern. Hierzu werden aber pro Bit zwei Schieberegisterstufen im Minimum benötigt, um im Speicherzustand die Daten zwischen zwei Stufen hin- und herschieben zu können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun unter Vermeidung der oben aufgezeigten Nachteile darin, ein dynamisches Schieberegister zu schaffen, das gleichzeitig Speichereigenschaften besitzt, ohne die Auswahl der erforderlichen Taktimpulse gegenüber bisher heraufsetzen zu müssen, wobei.der Aufwand gegenüber einfachen dynamischen Schieberegistern nicht erhöht ist, so daß der Platzbedarf bei integrierter Schaltkreistechnik so klein wie möglich gehalten werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ausgang des Ausgangsabschnittes über die Kanäle eines Kopplungs- und eines zusätzlichen Trenntransistors mit dem Eingangsabschnitt rückgekoppelt ist und daß entweder der Trenntransistor im Eingangsabschnitt oder der Trenntransistor im Rückkopplungspfad leitend ist.

Sowohl im Eingangsabschnitt als auch im Ausgangsabschnitt ist

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im Dateneingang des entsprechenden Feldeffekttransistors, also an den betreffenden Toranschlüssen,als Streukapazität im wesentlichen die entsprechende·Elektrodenkapazität wirksam. Da das Dielektrikum nahezu ideal ist, ergibt sich, daß die hier jeweils aufgebrachte Ladung nahezu unbegrenzt bestehen bleiben kann, wenn kein besonderer Entladevorgang eingeleitet wird. Ist also im vorliegenden Fall der jeweilige Trenn-' transistor abgeschaltet, dann bleibt die Ladung auf der jeweils zugeordneten Toranschlußkapazität erhalten.

In einer vorteilhaften Ausführung ist gemäß einem weiteren Erfind migagedanken vorgesehen, daß die in ihrer Betriebsspannung impulsgetasteten Schaltungsabschnitte aus je drei mit ihren Kanälen hintereinander geschalteten Feldeffekttransistoren bestehen, von denen der mittlere sowohl als Trenntransistor dient, als auch im Eingangsabschnitt bei Verschiebung der Datenimpulse gleichseitig mit der Betriebsspannung über seinen Toranßchluß impulsgetastet wird und

sabschnitt
im Ausgang/immer gleichzeitig mit der Betriebsspannung über seinen Toranschluß impul3getastet wird und jeweils der nicht als Datentransistor dienende dritte Feldeffekt-Transistor zwischen seinem direkt an Eetriebspotentdäl liegenden Aus- Λ gangcanschluß und seinem Toranschluß verbunden ist, und daß dia Rückkopplungsverbindung den gleichzeitig als Ausgang dienenden Verbindungspunkt awischen Trenntranaistor und Daten-Feldeffokttransistor mit dem Verbindungspunkt zwischen Trenntransistor und dritten Feldeffekttransistor des Eingangsabschnittes verbindet.

Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß impulsgeta3tcte Toran3Chlüsse der in den Schaltung^ nb schnitten liegenden Trenntransistoren mit einein weiteren Toran3chluß je eines die Betriebsspannung an die Daten-Felder:; f^tiuranniötcren legenden Schalttransiators verbünden wind tind daß üio Riickkoppluugsverbindung den Verbindungspunkt

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zwischen Trenntransistor im Eingangsabschnitt und Toranschluß des Daton-Feldeffekttransistors im Ausgangsabschnitt mit dem gleichzeitig als Ausgang dienenden Verbindungspunkt zwischen Trenntransistor und Toranschluß des Daten-Feldeffekttransistora im Eingangsabschnitt der nachfolgenden Schieberegister-Dtufe verbindet. Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist für die Rückkopplung??verbindung vorgesehen, daß

.der
der Kopplungs- und/Trenntransistor mit ihren Kanälen in Serie geschaltet sind, indem der Trenntransistor über seinen Toranschluß bei Speicherbetrieb in den leitenden Sustand geschaltet wird. Eine weitere Verbesserung ergibt sich dadurch, daß der Toranschluß des Trenntransintors mit dem Toranschluß eines zusätzlichen Schalttransistors zur Zuführung der Betriebsspannung auf den Kopplungstransistor verbunden ist.

In für Herstellung und Betrieb vorteilhafter Weise werden MOS-FET's vewendet, bei denen die Zwischenelektrodenkapazit£ten in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, so daß die Spannungen an diesen Kapazitäten, die äen dem Schieberegister zugeführten Daten entsprechen, in jeder Phase eines Operations-Zyklus regeneriert werden. Das bedeutet aber, daß die Daten nahezu unbegrenzt gespeichert v/erden können, ohne daß wie bisher üblich eine Schiebooperation durchgeführt werden muß, d.h. ein Datentransfer von einer Stufe auf die andere. Wenn also ein übliches Schieberegister bekannter Bauart als Minimum zwei Stufen benötigt, um die Daten zu speichern - indem nämlich die Daten zwischen diesen Stufen hin- und hergeschoben worden - wird sur Speicherung eines Bits gemäß der Erfindung nur eine Schieborogisterstufo benötigt. Im Gegensatz zur Rezirkulatiom.schleife bisher bekannter Schieberegister, die den Ausgang m.it dem Eingang eines solchen Schieberegisters verbindet, boateht die lüc^kkopplungsvorbindung gemäß der Erfindung innerhalb einer Stufe. Die Rosirkulationaschlcife dient also im vo.^autlichem dazu, Daton wieder auf den Eingang zurückauf Uhren. Ein Rückkopplungs-ottor Rogencrationsvorgcmg

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für einzelne Zeichen ergibt sich dabei nicht. Während also bei bekannten Anordnungen über diese Schleifen daten zurückgeführt werden sollen, ist mit der erfindungsgemäßen Rückkopplung die Bitregeneration bzw. die Speicherfähigkeit angesprochen.

Die erfindungsgemäß verwendete Rückkopplung stellt gewissermaßen einen Entladungsstromweg dar, indem ein entsprechender Schaltungsabschnitt den Datenzustand eines vorhergehenden Schaltüngsabschnittes beeinflussen kann. Wie bereits gesagt, besteht eine Rückkopplungsverbindung aus zwei MOS-FET ¹S wo der Toranschluß von dem einen MOS-FET an den Ausgang des betreffenden Ausgangsabschnittes und der Toranschluß des anderen MOS-FET's an einer Taktimpulsquelle liegt. Die Rückkopplung führt also zu einer bedingten Regulierung der Zwischenelektrodenkapazität durch eine andere Kapazität in der Schieberegisterstufe. Wenn also wie erfindungsgemäß vorgesehen, zwei Schaltungsabschnitte pro Schieberegisterstufe vorgesehen sind, dann wird der Zustand des Eingangsabschnittes in bezug auf seine Zwischenelektrodenkapazität durch den Zustand des Datenausgangs nämlich durch den Ladungszustand der Zwischenelektrodenkapazität im Ausgangsabschnitt gesteuert.

Zusammenfassend ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Informationsspeicherung von nahezu unbegrenzter Dauer geeignet ist und daß die optimale Geschwindigkeit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ohne weiteres vergleichbar mit der eines normalen dynamischen Schieberegisters ist. Wenn darüber hinaus auch der Flächenbedarf bei integrierter Schaltungstechnik gegenüber den bei bekannten dynamischen Schieberegistern größer ist, so ist doch die benötigte Gesamtfläche sehr viel kleiner als die benötigte Halbleiterfläche eines vergleichbaren statischen Schieberegisters. Abgesehen davon wird ein gegenüber bekannten

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dynamischen Schieberegistern erhöhter Flächenbedarf dadurch weitgehend ausgeglichen, daß die erforderlichen Synchronisierungsmaßnahmen in Form von Taktimpulsquellen und entsprechenden Zuleitungen eingeschränkt sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführnngsbeispieles und der zugehörigen Zeichnungen näher« erklärt.

Es zeigen:

Fig.l schematisch in Form eines Blockdiagramms eine erfindungsgemäße Schieberegisterstufe;

Fig.2 schematisch die Schaltung der in Fig.l gezeigten Schieberegisterstufe;

Fig.3 ein Zeitdiagramm für die Verschiebeoperation in der in Fig.2 gezeigten Schaltung;

Fig.4 ein Zeitdiagramm für die Speicheroperation mit der in Fig.2 gezeigten Schaltung;

Fig.5 die Anwendung eines einzigen Ursprungstaktgebers für die Verschiebungs- und Speichersteuerung im erfindungsgemäßen dynamischen Schiebe-/Speicherregister;

Fig.6 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen zweiphasigen Schiebe-/Speicher-Registers und

Fig.7 u.8 Zeitdiagramme für die in Fig.6 gezeigte

Schaltung, einmal im Schiebebetrieb und zum anderen im Speicherbetrieb.

In Fig.l ist in Form eines Blockdiagramms eine (n-te) Stufe des vorliegenden Schieberegisters gezeigt. Die Anzahl der

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Stufen im Schieberegister ist beliebig und nur von den Konstruktionserfordernissen abhängig. Daten werden jeweils zwischen aufeinanderfolgenden Stufen übertragen. Bei Verschiebebetrieb werden Daten von einer Stufe zur nächsten übertragen. Bei Speicherbetrieb bleiben Daten in derselben STufe in ähnlicher Weise wie in einem statischen Schieberegister.

Die in Fig.l gezeigte Schieberegisterstufe besteht aus einem Eingangsabschnitt (F) und einem Ausgangsabschnitt (B) und ist von ihrem Ausgang mit dem Eingangsabschnitt (F) derselben ■ " Stufe'verbunden. Durch diese Rückkopplungsverbindung wird die Speicherung von Daten in einer Stufe η ohne eine Verschiebeoperation ermöglicht. Durch diese Rückkopplungsverbindung unterscheidet sich die erfindungsgemäße Stufe von den Stufen bisher bekannter dynamischer Schieberegister. In der ausführlichen Darstellung in Fig.2 ist eine vierphasige dynamische Schieberegisterstufe gezeigt, bei der die Stufe ri der Fig.l aus einer herkömmlichen dynamischen vierphasigen Schieberegisterstufe mit Einrichtungen zur Wiedererstellung der Daten in der Stufe η besteht und somit zur Darstellung einer Speicherfunktion dient. In jeder Stufe kann natürlich eine beliebige Anzahl von Abschnitten vorhanden sein, von ä denen in Fig.l der einfacheren Erklärung halber nur zwei gezeigt sind.

In der Darstellung nach Fig.l werden die Daten der Eingangsklemme zugeführt und werden von der Ausgangsklemme auf die nächste Stufe (n+1) übertragen oder verschoben. Bei Bedarf wird mit Hilfe der Rückkopplung eine Speicheroperation durchgeführt. Bei der Verschiebeoperation wird also der Eingangsabschnitt (F) durch den Datenzustand des Ausgangsabschnittes (B) nicht gesteuert. Es erfolgt dann nur eine Steuerung in Richtung der Datenverschiebung.

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Aus der Arbeitsweise der in Fig.l gezeigten Schieberegisterstufe ergibt sich demnach, daß Informationen gegebenenfalls in einer Stufe eines Schieberegisters gemäß der Erfindung' gespeichert werden können. Darin liegt der Unterschied zu bekannten dynamischen Schieberegistern, die hierzu mindestens zwei "Stufen erfordern, indem dann die Informationen durch Verschiebeoperationen zwischen diesen beiden Stufen gespeichert werden können.

Die Schaltungsanordnung nach Fig.2 zeigt ausführlicher die in Fig.l dargestellte dynamische Schieberegisterstufe. Der Eingangsabschnitt dieser Stufe umfaßt die Transistoren Q1-Q3, während der Ausgangsabschnitt aus den Transistoren Q6-Q8 besteht. Die aus dem den Ausgangsabschnitt mit dem Eingangsabschnitt der Stufe verbindenden Netzwerk und bestehende Rückkopplung umfaßt die Transistoren Q4 und Q5.

In der Schaltungsanordnung nach Fig.2 sind MOS-FET's verwendet, obwohl die Erfindung nicht aufden Betrieb mit diesen besonderen Schaltelementen beschränkt ist. Die Bezeichnung MOS-FET steht für Isolierschicht-Feldeffekt-Transistoren mit der Schichtenfolge Metall, Oxyd, Halbleiter.

Ein MOS-FET ist ein Schaltelement, dessen Ausgangsanschlüsse die Bezeichnung Quelle und Senke und dessen Steueranschluß die Bezeichnung Tor tragen. Das Schaltelement ist dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Strompfad zwischen Quellen-und Senken-Anschluß aufgebaut wird, wenn ein geeignetes Potential an den Toranschluß gelegt wird. Zwischen Quellen- und Senken-Anschluß liegt eine hohe Impedanz, wenn das Tor entsprechend vorgespannt wird» Ih' Fig.2 ist N-Kanal-Anreicherung angewendet, obwohl die Schaltung natürlich genausogut mit P-Kanal-Verarmung arbeitet. Wenn bei den in Fig.2 gezeigten Schaltelementen ein positives Potential an das Tor eines Elementes gelegt wird, besteht zwischen seinen

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Ausgangsanschlüssen ein Weg mit niedriger Impedanz und die Anlage wird als eingeschaltet betrachtet.

Bei Herstellung der in Fig.2 gezeigten Schaltung werden die Quellen und Senken-Anschlüsse der Transistoren in einem Schaltungsabschnitt, wie z.B. den der Translatoren Q1-Q3 unter gemeinsamer Diffusion bereitgestellt. Für Transistoren ein und desselben Schaltungsabschnitts können außerdem gemeinsame Tor-Metallisierungen vorgesehen sein. Die ganze Transistorschaltung kann als integrierte Schaltungsanordnung mit Hilfe allgemein bekannter integrierter Schalttechniken ^ ausgeführt werden. Außerdem können verschiedene Taktimpulse, ' wie φ· j und <£>, leicht von einem Taktgeber abgeleitet werden, und zwar, indem man einen logischen Schaltkreis vorsieht, der auf demselben Plättchen angeordnet ist wie die Schieberegisterstufe der Flg. 2. Das ergibt sich genauer aus der nachfolgenden Diskussion der Fig.5. ·

Wie bereits gesagt, besteht der Eingangsabschnitt jeder Schieberegisterstufο in Fig.2 au3 den Transistoren Ql - Q3 und weist Eingänge für die Taktimpulse p., Φ, und die Eingangsdaten auf. Der Ausgangsabschnitt der Schieberegistersttife umfaßt die transistoren QS - Q8 und empfängt als Eingangsßlgnale u.a. die Taktimpulse ty , ^un& ^ λ· Ein Aus- * gangsanschluß 10 ist für die Datenausgabe vorgesehen.

Vom Ausgangsanschluß 10 zum Eingangsabschnitt der Schieberegisterstufe besteht eine Rückkopplung, die die Transistoren Q4 und Q5 enthält. Diese Rückkopplungßverbindung liegt zwischen dem eigentlichen Speicherelement CN₂ des Ausgangßabßchnittoö und dem Speicherelcament CN, des Eingangsabschnittes. Dies gestattet den Datenzustand von CN. mit Hilfe des Datenzustande» von CN₂ zu steuern, wie aus der nachfolgenden Beschreibung klarer hervorgeht. Der Eingangs-Takllmpulscii,¹ wird auf das Tor dna Transistors Q4 gegeben.

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In fig.2 sind die Knotenpunkt-Kapazitäten als Speicherelemente CN₁ und CN₂ dargestellt. Die Knotenpunkt-Kapazität CN stellt die Kapazität der Metalleitung 12 zum Substrat dar,- welche das Tor von Q6 und die gemeinsame Diffusion der Elemente Ql und Q2 verbindet; besteht jedoch primär aud der Kapazität zwischen den Elektroden des Elementes Q6. Diese Knotenpunkt-Kapazität ist gestrichelt dargestellt, da es sich um eine inhärente Kapazität handelt, nämlich um die der Schaltung zum Substrat. Entsprechend stellen auch CN₂ und CN₂ ¹ defl-

nierte Kapazitäten gegen Masse dar.
W

Die in Fig.3 und 4 gezeigten Zeitäiagramme für die Verschiebe- und die Speicheroperation werden nachfolgend genauer erklärt.

Verschlebeoperation

Während einer Verschiebeoperation wird eine kontinuierliche Folge von Taktimpulsen Φ. - ψ _A angelegt, während der Pegel des Taktimpulaes </> ' im Verlauf des Zyklus 0> Φ , ψ , 4> . niedrig gehalten wird· Ein Zyklus 1st hier definiert als der Zeitraum, der für eine Verschiebung von Daten vom .Eingang dieser Stufe zum Ausgang, d.h. von CNi nach ClL., erforderlich ist. Bei der Arbeitsweise dieser Schaltung ist zu beachten, daß ein positiver, an den Töranachluß eines jeden der Schaltelemente Q1-Q8 gelegter Impuls das Schaltelement zum Lsiten zwischen seinen AusgangsanschlüfJöen veranlaßt. Unter dieser Bedingung weiöt also das betroffene Element eine niedrige Impedanz auf. Wird hingegen ein positiver Impuls nicht an das Tor eines der Schaltelemente gelegt, dann besteht zwischen dessen Ausgangsanschlüssen, d.h.» der Quelle und der Senke dieses Schciltelementes, eine hohe Impedanz.

Zunächst verschieben sich Daten vom Eingang (CN,') auf die Kapazität CN. und dann auf die Aucgangskapasitilt CN^ einer

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Stufe. Daten auf einer Kapazität beeinflussen so die auf die nachfolgende Kapazität verschobenen Daten.

1. Während des Zeitabschnittes t. sind die Taktimpulse φ. und 4'2 vorhanden, die Impulse p~ und </· . nicht. Wie bereits gesagt, bleibt der Pegel von iP ₂' während der Verschiebeoperation niedrig. Während des Zeitintervalle t, lädt der

1 auf

Taktimpuls ί> .die Knotenpunktkapazität CN. über Ql/ und zwar ohne Rücksicht auf etwa vorhandene Eingangsdaten, die durch eine hohe Spannung auf dem Kondensator CN' dargestellt werden (wenn eine Vorstufe vorhanden ist).

2. Während des Zeitabschnittes t₂ entlädt der Taktimpuls

φ 2 die Kapazität CN über Q2 und Q3, wenn der Dateneingangssignalpegel hoch ist. Ist das nicht der Fall, ist 03 gesperrt, ao daß-CN₁ nicht entladen wird.

3. Während des Zeitabschnittes t₃ tritt der Taktimpuls ^₃ auf und lädt die Knotenpunktkapazität CU₂ über Q8 und zwar auch dann, wenn in diesem Zeitabschnitt der Taktimpuls φ . das Element Q7 einschaltet.

4. Während des Zeitabschnittes t. kehrt der Gignalpegel von

^-.·' auf eine niedrige Spannung zurück , während der Signal- Λ pegel von (]■■ . auf hoher Spannung bleibt. Dadurch wird CN^ über Q7 und Q6 entladen, wenn gleichzeitig die Spannung Über CN. hoch int; wenn nämlich die Spannung über CN. nicht hoch gonug ist, iüt Q6 nicht leitend, so daß u.ich kein Entladuncjüpfad über CN₀ ergibt. In dieeein Fall also bleibt CN_n geladen.

ώ ir» '

Hit dem Ende dioisos Zeitabschnittes t₄ ßind alle Daten vom Eingangs- suit) /luggangyanschluß verschoben. Die soeben beschriebene Operation ist identisch mit der h^rktftirriliahor viorphasigei: dynaitiis-cher ßchieberegiaterstufon. Da .der Sjc-nnlpegol von Ί-- ₀' v/^hrend (Sos Opcrsiions^ykluiu niedrig b.1.ti->b,. v:ar Q4 nichtleitend, oo daß der Q4 und Q5 enthalt<sndii

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StroHipfad während der gesaraten Schiebeoperation abgeschaltet war. Diese die Rückkopplungsverbindung bildenden Elemente beeinflussen den Betrieb der Schaltungsanordnung nur während einer Speicheroperation.

Speicheropsration

Die Speicheroperation wird durchgeführt durch Anlegen einer Folge von Taktimpulsen ψ-_t Φ₂*' ^3' Φα' ^wSnren^ ^der Signalpegel von φ ₂ ^^m Erlauf des gansen Zyklus niedrig erhalten wird. Auf diene Weise können Eingangsdaten den Ladungsauetand von CN₁ nicht beeinflussen, da Q2 überhaupt nicht leitend wird. Stattdessen wird der Ladungszustand von CN. durch die Ausgangsdaten bsw. durch den Ladungszustand von CNj über das Transistorelement Q5 gesteuert. Während des ganzen Zyklus von ^., -φ ,'; φ , und Φ » werden die Spannungen an CN- und CW₂ regeneriert» Außerdem wird jede Änderung der Spannungspegel infolge von Leckströmen korrigiert. Bei Speicherbetrieb bestimmt der Datenzustand. einer Speicherkapazität den Datenzustand des jeweils vorhergehenden Speicherelemente a .

Als Beispiel sei angenommen _s daß die Spannung an CN, hoch ist» so dass eine in dieser Stuf© gespeihert® "1" dargestellt ist·

1. Während des Zeitabschnittes ti sind die Signalpegel von ^Λ'^; ,

A *

und ^₂ ¹ hoch, während die Signalpegel von ^, und Φ . niedrig sind, d.h. CN. wird durch (J-',über Ql geladen«

2. Während üe.a 'Zeitabschnittes ti fällt das Signal Φ auf einen niedrigen Pegel ab, der Signalpegel von C/ · bleibt jedoch hoch. Die Signalpegel von <h - und d· . bleiben niedrig. Daö bedeutet, daß Q4 und Q5 leitend werden (Q5 leitet, da von Anfang an für CN^ tdne hohe Spnnntzng angenommen ist) . Somit

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entlädt sich CN₁ über Q4 und Q5. Wichtig erscheint der Hinweis, daß eine an CN. aufgrund eines Leckstromes auftretende Ladung"während dieses Entladungvorganges tibor Q4 und Q5 ebenfalls abgeführt wird.

3·.Während des Zeitabschnittes t,¹ bleibt der Signalpegel von

^₁ niedrig, während die Signalpegel von c/u und φ* hoch sind. Auch der Signalipegel von ψ_?* wird niedrig. Da der Signalpegel von.φ« hoch ist, leitet Q8, so dass CN₀ durch Cp - aufgeladen wird. CN₂ soll ja entsprechend der Annahme au Anfang in hohem Ladezustand gewesen sein, so dass die Arbeitsweise der Schaltung während dieses Teiles des Zyklus \ die Spannungsabnahm© an CN, aufgrund von Leckströmen wieder ausgleichen kann.

4. Während des Zeitabschnittes t,¹ bleibt das Signal CP, auf einem niedrigen Pegel, während der Signalpegel von (f,-auf den niedrigen Wert abfällt. Der Signalpegel von S . bleibt hoch, während der Signalpegel von Φ «' niedrig bleibt. CN₀ kann sich nicht über Q7 und Q6 entladen, da eine niedrige Spannung an CN. liegt und somit Q6 nicht In den leitenden Zustand übergehen kann.

Es läßt sich gleichfalls zeigen, dasßjbei anfänglich geringer { Ladung von CN₀ das Tranöistorelement Q5 nicht leitet und CN. während des Auftretens von Φ . aufgeladen wird. Das wird aus folgenden Überlegungen klar* Während des Zeitabschnittes t_o' wird CN. nieht entladen, da die Spannung an CN₂ als anfänglich niedrig angenommen ist. Das bedeutet, daß Q5 nicht leitet. Während des Zeitabschnittes t,¹ leitet Q8, so dass CN₀ durch Signal φ , aufgeladen wird. Uähtßnd des Zeitabschnittes t-¹ wird CW₂ über Q6 und Q7 entladen, da derhohe Spannungspegel an CW₁, d«sr v/ährend dea Zeitabschnittes t^¹ nicht abgesenkt ist, das Element Q6 im j.elt^nuen 2u«tand hält.

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Aus bisheriger Beschreibung geht hervor, daß durch die zusätzliche Rückkopplung in einer typischen vierphasigen, dynamischen Schieberegisterstufe mit entsprechendem Einsatz von Taktsignalen eine dynamische Schiebe-/Speichereinrichtung bereitgestellt ist. Die Schaltung besteht aus acht identischen MOS-FETs gegenüber sechs MOS-FETs bei einer typischen vierphasigen Schiebere£i.sterstufe. Der zusätzliche Bedarf an Plättchenbereich liegt jedoch unter 30% aufgrund eines gemeinsamen Quellen-bzw. Senken-Diffusionsbereiches für die Transistorelemente Ql - Q5.

Da die Signale <p _ und ^₂' ^sowonl zeitlich relativ als auch hinsichtlich der Impulsform übereinstimmen, können diese beiden Signalimpulsfolgen leicht von nur einer Taktimpulsquelle abgeleitet werden, so daß die in Fig.2 gezeigte Schieberegiterstufe hierzu keine zusätzliche Taktsignalquellen benötigt. Die Anzahl der Taktsignalquellen ist also dieselbe wie für ein herkömmliches vierphasiges dynamisches Schieberegister. Fig.5 zeigt eine solche Schaltungsanordnung mit nur einer Taktsignalquelle für die Lieferung der Impulse Φ ₂ und Q '.

In Fig.5 ist ein dynamisches Schiebe-/Speicherregister mit einer an sich bekannten Rücklaufverbindung 14 gezeigt, die natürlich mit der erfindungsgemäßen Rückkopplungsanordnung zwischen den Abschnitten einer jeden Schieberegisterstufe natürlich nicht das geringste zu tun hat, da sie lediglich zur Zirkulation derDaten dient.

In Fig.5 dient zur Lieferung der Taktimpulse Φ₂ und cb₂ ^t ein Taktimpulsgenerator 16» Aus den Fig.3 und 4 geht hervor, daß der Taktimpuls Φ ₂ ein Schiebe-Eingangstaktimpuls ist, während der Taktimpuls cp ₂' ein Speicher-Eingangstaktimpuls ist. Der Taktimpulsgenerator 16 für die Phase 2 liefert ein Ausgangssignal auf die beiden UND-Glieder 18 und 19. Das zweite Eingangssignal für das UND-Glied 18 ist das Schiebe-

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Steuersignalr während das zweite Eingangssignal für das UND-Glied 19 das Speicher-Steuersignal 1st. Dia Koinzidenz des Impulses vorn Taktirnpulsgenerator' 16 mit entweder dem Schiebe-Steueraignal oder dem Speicher-Steuersignal an den UND-Gliedern (18,19) liefert dann ein Ausgangsßlgnal g?₂ bzw.^₂'· Der die UND-Glieder 18 und 19 betreffenden Schaltungsteil läßt sich natürlich ebenfalls auf dem Halbleiterplättchen unterbringen.

Die Verlustleistung bei Speicheroperation wird dadurch stark reduziert, daß entsprechend die Frequenz der einzelnen TaktslgnalQ -Φ,/ 4"?'' ^3 ^unc^ Ψ 4 l^ierabqGsetzt wird. Dies ist bei der Gon'amtspeicherkonstruktlon wichtig, wo angestrebt wird, die Leistungsaufnahme eines Systems auf einem Minimum zu halten. Außerdem lassen sich dank der erfindungsgemässen Speicherart alle gespeicherten Daten sofort in richtiger Reihenfolge auslesen, so daßA die Speicher-Zugriffszeit um etwa 50% reduziert wird.

Elrjweiterer Vorteil der in Fig.2 gezeigten dynamischen Schiebe-Spo.tcher-Schaltung besteht in der Möglichkeit, bßi Spei- | cherbetrieb jedenSpeicherstufe unabhängig von einer anderen aufzusetzen und zurückzustellen. Diese Eigenschaft ist für zahlreiche Schieberegisteranwendungen erwünscht. Zu diesem Zweek \Vird boi einem SpeicherzykXus, der an sich die Taktsignale φ ., φ 2^%' Φ·5 ^υη3 ψ4 enthiilt, die Zuführung dos Signals φ «, absichtlich unterbunden. Somit bleibt ungeachtet des Ladungßsuütanäes von CW_? CN. geladen, v?eil Q4 nicht leitet, wenn das Signal 0: „^x fehlt. T,n x<;irc! also kein Entladungspfad über 04 und 03 aufgebaut. Anschließend wird CNL entladen, wenn φ ^ erscheint, da 07 dcinn leitend int. Die hohe Spannung nn CN. maci-it ja außordori QG leitend. Worm andercirtio3.tö dio iiuCühruny von φ . wührcuci oinoe ganzen "pöichox'üyklu« unterdrückt wird, wird CH₂'"am" Ende den' Kyk-.lns auf-

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geladen und auf diese Weise hiermit eine gespeicherte 1 dargestellt. Aus diesem Grunde können die Anschlüsse für die Signale p ~^l und c/₄ in einfacher Weise als Aufsetz- und Rückstell-Eingänge benutzt werden.

Fig.6 zeigt schematisch ein zweiphasiges Schiebe-Speicher-Register mit einander nicht überlappenden Taktimpulsen. Das Zeitdiagramm für eine Verschiebeoperation ist in Fig.7 und das Zeitdiagramm für eine Speicheroperation in Fig.8 _ gezeigt.

Auch in der Schaltungsanordnung nach Fig.6 sind zwei Knotenpunktkapazitäten pro Stufe vorhanden. Hier ist nur eine Stufe vollständig gezeigt. Die Knotenpunktkapazitäten in dieser Stufe sind CN und CN__Q. Die Knotenpunktkapazität CNp₀ ¹ ist die Ausgangskapazität der vorhergehenden Stufe, während die Knotenpunktkapazität CN₁₀' die Eingangs-Knotenpunktkapazität der folgenden Stufe ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei Speicherelemente d.i.Knotenpunktkapazitäten in jeder Stufe ausgenutzt. Die Anzahl der Speicherelemente pro Stufe stellt natürlich keine Einschränkung vorliegender Erfindung dar.

*

Wie bei dem in Fig.2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden auch hier MOS-FETs verwendet. Jede Stufe umfaßt Speicherelemente, die durch eine Rückkopplungsverbindung miteinander verbunden sind. Die Rückkopplung gestattet auch hier einer Kapazität, aus welcher Daten verschoben werden sollen, über ihren Ladungszustand den Speicherzustand und damit die Datendarstellung der unmittelbar vorhergehenden Knotenpunktkapazität zu steuern. Bei einer Speicheroperation würde z.B. eine Spannung an CN₂₀ die Spannung an CN-₀ steuern. In dem in Fig.6 gezeigten Ausführungsbeispiel bestäht die Rückkopplung für diese Stufe aus den Schaltelementen QlO - Ql2.

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In der in Fig.6 gezeigten Schieberegisterstufe besteht der Eingangsabschnitt aus den Schaltelementen QlO - Q3O und der Ausgangsabschnitt aus den Schaltelementen Q4O - Q6O. Die Rückkopplungsverbindung enthält, wie bereits gesagt, die Schaltelemente QlO - Q12. Zwischen jeder Knotenpunktkapazität einer Stufe liegen so Einrichtungen, die es der vorhergehenden Knotenpunktkapazität ermöglichen, durch ihren Ladungszustand den Ladungszustand der nachfolgenden Knotenpunktkapazität bedingt zu regulieren.

Außerdem gestattet es die Rückkopplung irgendeiner Kapazität, durch ihren Ladungszustand den Ladungszustand der vorhergehenden Kapazität zu steuern. Werden Daten verschoben, dann ist die Rückkopplung unwirksam, indem die Rückkopplungsverbindung unterbrochen ist. Wenn jedoch die Daten in einer bestimmten Stufe gespeichert werden sollen, dann ist die Rückkopplung wirksam und gestattet es einer nachfolgenden Kapazität, durch ihren Ladungszustand den Ladungszustand der vorhergehenden Kapazität zu steuern. In dieser Beschreibung beziehen sich die Worte vorhergehend und nachfolgend auf die Richtung des Datenflusses. Wenn z.B. Daten nach rechts verschoben werden, liegt die Kapazität CN _Q vor der Kapazität p.. Während einer Speichöroperation liegt die Kapazität _n ebenfalls vor der Kapazität

Verschiebeoperation

Für eine Verschiebeoperation werden die Taktimpulse ^ und -P ₂₀ benutzt. Das Pegel des Taktsignals <£>₁₀ ^f wird niedrig gehalten.

1. Während des Zeitabschnittes t^ ist der Pegel des Signals φ ₁₀ hoch, während die der anderen Taktimpulse niedrig sind. Demzufolge wird CN₁₀ über QlO und Q30 aufgeladen. Dabei ■ handelt es eich nur um eine bedingte Aufladung, nämlich

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in Abhängigkeit vom Pegel der Eingangsdaten. Wenn die Spannung an CN₂₀ ¹ hoch ist, wird CN _Q nicht aufgeladen, da über QlO und Q20 ein Entladungspfad nach Masse besteht. Während des Zeitabschnittes t. hingegen werden Daten von CN_ ' nach CN _n übertragen.

2. Während des Zeitabschnittes t₂ liegt nur der Taktimpulse an. Hler sollen Daten von CN _ nach CN_?Q übertragen werden. Da der Pegel des Signals ^₁₀' niedrig ist, ist die Rückkopplung unwirksam. Die Kapazität CN₀ wird über Q40 und Q60 bedingt durch den Ladungszustand der Kapazität CN₁₀ aufgeladen. Wenn im Zeitraum t., eine Spannung an CN _Q angelegt wurde, wird CN₃₀ nicht aufgeladen, da daftn ein Entladungspfad über Q40 und Q50 nach Masse während des Zeitraumes t_o besteht.

Während der Verschiebeoperation werden Daten von CN« ' nach CN_0n übertragen. Wenn z.B. der Spannungspegel, an CN₀ ' am Anfang hoch ist, wird CN _n während des Zeitraumes t nicht aufgeladen, was bedeutet, daß der Spannungspegel an CN am Ende des Zeitraumes t niedrig ist. Während des Zeitraumes t₂ bedeutet ein niedriger Spannungspegel an CN , daß CN _Q ' auf eine hohe Spannung aufgeladen wird. Der Spannungspegel an CN₂₀ ist somit derjenige, welcher am Anfang von CN₃₀' an die Schieberegisterstufe angelegt wurde. Demzufolge steuert der Ladungszustand einer Kapazität den Datenzustand der nachfolgenden Kapazität während einer Schiebeoperation.

Speicheroperation

Während der Speicheroperation sollen bereits ins Schieberegister eingegebene Daten in den Stufen gehalten werden. Während eines ganzen Zyklus von Taktimpulsen sollen also alle an der Ausgangskapazität CiSI₂₀ liegenden Daten in den Schieberegisterstufen beibehalten werden. In diesem Fall besteht

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ein ganzer Zyklus aus Taktimpulsen mit den Impulsen u^! .^¹ und φ_2ο. Der Pegel dos Taktimpulses (l·^ _ble_ibt während der ßpeicheroporation niedrig.

1. Während dos Zeitabschnittes t ' liegt der Taktimpuls φ · vor. Dan bedeutet, daß QlO und Q12 leitend werden.

Die Kapazität CN₁₀ wird Über QlO und Q12 abhängig vom Spannungszustand an CfIj₀ aufgeladen. Wenn die Spannung an ClJ^₀ hoch ist, wird QIl leitend und es besteht ein direkter Pfad über QlO und';QIl nach Masse. Dae bedeutet, daß nach dem Zeitabschnitt t*' eine niedrige Spannung an CN.- liegt. Wenn ™ die Spannung an CN₀₀ während des Zeitraumes CN._Q' niedrig ist, wird ClT auf eine hohe Spannung aufgeladen·

2. Während des Zeitabschnittes t₂* tritt das Signal <P_2Qauf.

Das bedeutet, daß die Kapazität CN₂ über Q40 und Q6 abhängig ^N vom Zustand dor Spannung an CN-₀ geladexi wird. Während des Zeitabschnittes t_OQ! steuert der Spannungszustand an CW _Q den Spnnnungszuatand an CN₂₀*" Ist der Spannungszustand an CN,-.

.nach dem Zeitabschnitt t. '.niedrig, wird so CtL₀ auf eine hohe ,Spannung aufgeladen. .

Bei SpeichnrbGtrieb werden somit gewissermaßen die in einer | Stufe vorhandenen Daten durch diese Stufe umlaufen gelassen un\ eine Spoichcroperation zu erhalten. Die Rückkopplung.ge~ stattet es daJjoi einer nachfolgenden Kapazität durch ihren SpannungiJEustand dan Spannungözustand dex vorher«chenden t zu steuern.

Aus obcnstohcndor "oschrelbung geht ofüantdichtlich hervor, daß jede öchioberegisteristufe eine nahezu beliebige» Anzahl von PpoiciiGrp.-lomentftn enthalten kann, /vufiordöm brauchen ([ία Kiic};j;.cnplungßvorbindungen nicht notwendig erwoi rc a ben.::a!jiljartfi fJpoichcrkapaxitiiten niitoinandor au vei'binden.-

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So lassen sich z.B. die erste und dritte Speicherkapazität irgendwelcher Stufen miteinander koppeln. Hierbei ergibt sich, daß die Daten sogar länger gespeichert werden, da zwei Schiebeoperätionen durchzuführen sind, um Daten zu erhalten; wohingegen dies sich ursprünglich vor der Speicheroperation ergeben hat.

Wie dem auch sei, dies sind mehr oder weniger alles Zweckmäßigkeitsfragen,, die sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall richten. Die Benutzung von MOS-FETs ist dabei besonders vorteilhaft, weil sich hiermit wirtschaftliche Herstellungsverfahren und im Ergebnis Hochgeschwindigkeitsschaltkreise ergeben.

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Claims (7)

2 ü.J 2318 Böblingen, 24. Juni 1970 bü-sk P a t e η t a ns ρ r ü c he

1. Feldeffekttransistor-Schieberegisterstufe mit zwei Schaltungsabschnitten, nämlich einem impulsgetasteten Eingangsabschnitt und einem gegenüber dem Eingangsabschnitt zu je nachfolgenden Zeitintervallen impulsgetasteten Ausgangsabschnitt, welche je aus einem Datenfeldeffekttransistor, dessen isoliertem Toranschluß " die Datenimpulse zugeführt werden, und aus hierzu in Serie hinsichtlich der Kanäle liegenden Trenntransistoren bestehen, wobei jeweils unter Ausnutzung der Streukapazitäten die Toranschlüsse der Datenfeldeffekttransistoren mit den Datenfeldeffekttransistoren des jeweils vorgeschalteten Schaltungsabschnittes über den Kanal des im vorgeschalteten Schaltungsabschnitt liegenden Trennfeldeffekttransistors gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (10) des Ausgangsabschnittes über die Kanäle eines Kopplungs(Q5)- und eines zusätzlichen Trenntransistors (Q4) mit dem Eingangsabschnitt rückgekoppelt ist und daß entweder der Trenn- ^ transistor (Q2) im Eingangsabschnitt oder der Trenntransistor (Q4) im Rückkopplungspfad leitend ist.

2. Feldeffekt-Schieberegisterstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in ihrer Betriebsspannung ( φΐ,

φ 3) jeweils impulsgetasteten Schaltungsabschnitte aus je drei mit ihren Kanälen hintereinander geschalteten Feldeffekttransistoren (Q1,Q2,Q3 bzw. Q6,Q7,Q8) bestehen, von denen der mittlere (Q2,Q7) sowohl als Trenntransistor dient als auch im Eingangsabschnitt bei Verschiebung der · Datenimpulse gleichzeitig mit der Betriebsspannung ( φ 1) über seinen Toranschluß Impulsgetastet ( φ2) wird und 009884/1926

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im Ausgangsabschnitt immer gleichzeitig mit der Betriebsspannung ( c^> 3) über seinen Toranschluß impulsgetastet ( φ 4) wird, und jeweils der nicht als Datentransistor dienende dritte Feldeffekttransistor ( Ql bzw. Q6) zwischen seinem direkt an Be.triebspotential ( ο 1 bzw.

<φ 3) liegenden Ausgangsanschluß und seinem Toranschluß verbunden ist, und daß die RuckkopplungsVerbindung den gleichzeitig als Ausgang (10) dienenden'Verbindungspunkt zwischen Trenntransistor (Q7) mit Daten-Feldeffekttransistor (Q8) im Ausgangsabschnitt mit dem Verbindungspunkt zwischen Trenntransistor (Q2) und dritten Feldeffekttransistor (Ql) des Eingangsabschnittes verbindet.

3. Feldeffekttransistor-Schieberegisterstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß impulsgetastete Toranschlüsse der in den Schaltungsabschnitten liegenden Trenntransistoren (Q30 bzw.Q60) mit einem weiteren Toranschluß je eines die Betriebsspannung (+V) an die Daten-Feldeffekttransistoren (Q20 bzw.Q50) legenden Schalttransistors (QlO,Q40) verbunden sind und daß die Rückkopplungsverbindung den Verbindungspunkt zwischen Trenntransistor (Q30) im Eingangsabschnitt und Toranschluß des Daten-Feldeffekttransistors (Q50) im Ausgangsabschnitt mit dem gleichzeitig als Ausgang dienenden Verbindungspunkt zwischen Trenntransistor (Q60) und Toranschluß des Daten-Feldeffekttransistors (Q80) im Eingangsabschnitt der nachfolgenden Schieberegisterstufe verbindet.

4. Feldeffekttransistor-Schieberegisterstufe mindestens nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungs(Q5)-und der Trenntransistor (Q4) in der Rückkopplungsverbindung mit ihren Kanälen in Serie geschaltet sind, in dem der Trenntransistor (Q4) über seinen Toranscbluß^bei Speicherbetrieb in den leitenden

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Zustand geschaltet wird.

5. Feldeffekttransistor-Schieberegisterstufe nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß der Toranschluß des Trenntransistors (Q12) mit dem Toranschluß eines zusätzlichen Schalttransistors (QlO) zur Zuführung der Betriebsspannung (+V) auf den Kopplungstransistor (QIl) verbunden ist.

6. Feldeffekttransistor-Schieberegisterstufe nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsverbindung vom Ausgang des Ausgangsabschnittes an den Eingangsabschnitt einer vorhergehenden Schieberegisterstufe angeschlossen ist.

7. Feldeffekttransistor-Schieberegisterstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Transistoren als MOS-FETs ausgebildet sind, bei denen die Quellen -und Senkenanschlüsse unter gemeinsamer Diffusion und die Toranschlüsse unter gemeinsamer Metallisierung bereitgestellt sind.

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