DE2032318A1 - Feldeffekttransistor Schieberegister stufe - Google Patents
Feldeffekttransistor Schieberegister stufeInfo
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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
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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ORIGINAL INSPECTED
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.
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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BAD ORIGINAL
2CH2318
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.
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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ORIGINAL INSPE6W
-■— ό ™"
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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ZJ- 2318
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.
0 0 9 8 8 A / 1 9 2 B original inspected
ΰο2318
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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ORlGiHALiNSPECTED
2Ü ;231 8
- ίο -
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
W
Die in Fig.3 und 4 gezeigten Zeitäiagramme für die Verschiebe-
und die Speicheroperation werden nachfolgend genauer erklärt.
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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ORIGINAL INSPECTED
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 CNn 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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BAD ORIGINAL
StroHipfad während der gesaraten Schiebeoperation abgeschaltet
war. Diese die Rückkopplungsverbindung bildenden Elemente
beeinflussen den Betrieb der Schaltungsanordnung nur während einer Speicheroperation.
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 to'
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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2ü32318
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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2Ü32318
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 lierabqGsetzt 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-
00988U1926
2C:i2318
tu
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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INSPECTED
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
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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2ÜJ23-18
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 to besteht.
Während der Verschiebeoperation werden Daten von CN« ' nach
CN0n 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.
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
009884/1926
ORIGINAL INSPECTED
2 O ;-i 231 8
ein ganzer Zyklus aus Taktimpulsen mit den Impulsen u! .^1
und φ2ο. Der Pegel dos Taktimpulses (l·^ bleibt 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 <P2Qauf.
Das bedeutet, daß die Kapazität CN2 über Q40 und Q6 abhängig N
vom Zustand dor Spannung an CN-0 geladexi wird. Während des
Zeitabschnittes tOQ! 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.-
00988A/1926
2C52318
- 20 -
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.
009884/1928
INSPECTED
Claims (7)
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
ORiGiNAL INSPECTED
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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
ORIGINAL INSPECTED
2Ü32318
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.
009884/1926
ORlGlNALiNSPECTED
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