DE2225428A1

DE2225428A1 - Schieberegister unter verwendung komplementaerer feldeffekttransistoren

Info

Publication number: DE2225428A1
Application number: DE2225428A
Authority: DE
Inventors: James Thomas Parrish; Dominic Patrick Spampinato; Lewis Madison Terman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-06-30
Filing date: 1972-05-25
Publication date: 1973-01-11
Also published as: DE2233286B2; FR2143732B1; FR2143732A1; DE2225428B2; US3716724A; DE2233286A1; GB1366772A; US3716723A; DE2225428C3; DE2233286C3; US3808462A

Description

Böblingen, 19. Mai 1972 heb/fr

• a

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: . Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 970 080

Schieberegister unter Verwendung komplementärer Feldeffekttransistoren

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf dynamische und statische Schieberegister, die in elektronischen Rechenanlagen und Datensystemen als Speicher oder temporäre Speicherplätze für digitale Daten vor ihrer Verarbeitung in logischen Schaltkreisen dienen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine neue Inverterschaltung für eine Schieberegisterstufe, die in der Lage ist, an ihrem Ausgangsknotenpunkt nach einem Entsperr-/Sperrzyklus Daten zu speichern. Diese Inverterschaltung kann sowohl in dynamischer als auch in statischer Arbeitsweise als Stufe eines Schieberegisters Verwendung finden. Die so aufgebauten Schieberegisterstufen sind wesentlich schneller und benötigen wesentlich weniger Platz als bisher bekannte Schieberegisterstufen, die komplementäre Feldeffekttransistoren in ihren Inverterschaltungen verwenden.

Inverterstufen mit Feldeffekttransistoren sind hinlänglich bekannt. Ebenso sind auch Feldeffekttransistor-Inverterstufen unter Verwendung von komplementären Feldeffekttransistoren allgemein bekannt. Ein Schieberegister dieser Art ist in einem Aufsatz beschrieben,' der am 18. Februar 1970 auf der IEEE International Solid State Circuit Conference zum Vortrag kam mit dem Titel "Sehr schnelles 50stufiges SiIicium-Auf-Saphir-Schieberegister" von J. E. Meyer, J. R. Bums und J. H. Scott

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von den RCA-Laboratorien. Eine Schieberegisterstufe gemäß diesem Aufsatz enthält zwei identische mit Komplementärtransistoren besetzte Inverterstufen, deren Eingänge mit dem Ausgang der vorausgehenden Inverterstufe durch Paare getrennt impulsmäßig betätigter Komplementärübertragungstorschaltungen verbunden sind. Durch drastische Verringerung der parasitären Kapazitäten, die ^r der Silicium-Auf-Saphir-Technik eigen sind, und durch Benutzung von komplementären Bauelementen mit der gewünschten Mobilität der Elektronen und Defektelektronen läßt sich eine Wirkungsweise erreichen, die bisher nur mit den schnellsten bipolaren Schaltungen erreichbar war, während gleichzeitig an alle anderen guten Eigenschaften von MOS-Schaltungen erhalten blieben. Die Verwendung von komplementären Obertragungstorschaltungen verringert jedoch die Geschwindigkeit und benötigt zusätzlichen Raum, der, falls er wesentlich verringert werde könnte, die wünschenswerten Eigenschaften solcher Schieberegister noch wesentlich erhöhen könnte.

Ganz allgemein ist also die vorliegende Erfindung auf eine Inverterschaltung gerichtet, die zwischen Eingangs- und Ausgangsklemmen ein Paar in Reihe geschaltete komplementäre Feldeffekttransistoren aufweist, deren Torelektroden mit der Eingangsklemme verbunden sind, während die beiden Feldeffekttransistoren über zwei Dioden in Reihe geschaltet sind. Es sind Mittel vorgesehen, um zwei verschiedene Potentiale an die Schaltung anzulegen, um am Ausgang der Schaltung während des ersten Teiles eines gegebenen Zyklus ein erstes oder zweites Potential einzustellen sowie Mittel, um den Ausgang während eines zweiten Abschnittes eines gegebenen Zyklus auf einem ersten oder zweiten Potential zu halten.

Insbesondere zeichnet sich die erfindungsgemäße Schaltung dadurch aus, daß in der Inverterstufe die Dioden als Schottky-Sperrschichtdioden ausgebildet sind und daß zum Anlegen der Potentiale an den Eingang der Schaltung eine Impulsquelle vorgesehen ist, die entweder ein positiv oder ein negativ gerich-

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tetes Signal während des ersten Abschnittes des gegebenen Zyklus an den Eingang anlegt. Diese Schaltmittel enthalten außerdem eine erste und zweite Impulsquelle, die positive und negative Potentiale oder positive und/oder negative und Erdpöteritiäle während des ersten Abschnittes eines gegebenen Zyklus dem Inverter zuführen; dabei liefert die erste Impulsquelle zum gleichen Zeitpunkt ein Potential entgegengesetzter Polarität zur zweiten Impulsquelle. Zur Aufrechterhaltung des Ladungszustande s am Ausgang der Schaltung dienen impulsförmig getastete Spannungsquellen, die während des zweiten Abschnittes des Zyklus im Vergleich zum ersten Abschnitt komplementäre Potentiale dem Inverter zuführen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Inverterschaltung in einer Schieberegisterstufe benutzt wird, die aus einer ersten und zweiten derartigen komplementären Inverterschaltung besteht, deren jede ein Paar komplementärer Feldeffekttransistoren enthält, deren Torelektroden parallel geschaltet sind. In einer solchen Schieberegisterstufe ist die zweite Inverterstufe komplementär zur ersten Inverterstufe aufgebaut, und das Ausgangssignal der ersten Inverterstufe wird dem Eingang der zweiten Inverterstufe zugeführt. Zusätzlich zu den Feldeffekttransistoren enthält, wie bereits erwähnt, jede Inverterstufe ein Paar Dioden, die mit den Feldeffekttransistoren in Reihe geschaltet sind. Selbstverständlich sind außerdem Schaltmittel vorgesehen, um den ersten und zweiten Inverterstufen jeder Schieberegisterstufe die entsprechenden Entsperr- oder Sperrsignale für die Inverter während eines gegebenen Zyklus zuzuführen. Dabei wird jeweils ein Inverter entsperrt, während der andere gesperrt wird. Wenn einer der Inverter entsperrt ist, sind auch seine beiden Dioden in ihrem Leitzustand.

Zusätzlich dazu sind noch Schaltmittel vorgesehen, die mit dem ersten und zweiten Inverter jeder Stufe verbunden sind, die wanrend eines gegebenen Teils eines Zyklus die Potentiale am Eingang

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und Ausgang aufrechterhalten. Ferner kann ein dritter komplementärer Inverter, der mit dem ersten Inverter identisch ist, vorgesehen sein, der dann zwischen dem ersten und zweiten Inverter eingeschaltet ist, mit Verbindungsleitungen, die den Ausgang des dritten Inverters und den Eingang des ersten Inverters miteinander verbinden, um das Potential am Ausgang des dritten Inverters auf den Eingang des ersten Inverter zurückzukoppeln. Im Betrieb werden die Inverter und Schieberegisterstufen alle während eines einzigen Entsperr-/Sperrzyklus betätigt. Im Fall von Schieberegisterstufen ergibt sich, daß durch einfache Umkehr der Position eines zweiten Inverters zwischen den Phasenleitungen der Entsperrzyklus für den ersten Inverter den Sperrzyklus für den zweiten Inverter darstellt und umgekehrt. Wenn somit der Entsperrzyklus für den ersten Inverter beendet ist und der Sperrzyklus begonnen hat, wird die am Ausgang des ersten Inverters gehaltene Information während des Entsperrteils des Zyklus für den ersten Inverter benutzt (der der Entsperrzyklus für den zweiten Inverter ist), um das Leiten oder das Nichtleiten eines der komplementären Transistoren des zweiten Inverters während seines Entsperrzyklus zu steuern. Das Arbeiten dieser Stufen sowohl in dynamischer als auch in statischer Betriebsart wird in relativ einfacher Weise durch Verwendung eines weiteren Inverters erreicht, der mit dem ersten Inverter identisch ist, so daß sich eine außergewöhnlich hohe Flexibilität sowohl für die Herstellung als auch für den Betrieb solcher Schaltungen ergibt, wie sie bisher nicht zur Verfügung gestanden hat.

Somit läßt sich es also erreichen, daß,mit Hilfe der Erfindung eine komplementäre Transistorschieberegisterschaltung geschaffen wird, die sowohl in dynamischer als auch in statischer Betriebsart betrieben werden kann und während eines vollständigen Zyklus an ihrem Ausgangsknotenpunkt Information einzuspeichern in der Lage ist.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

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- 5 Dabei zeigt:

Fig. 1 eine mit komplementären Feldeffekttranistoren

bestückte Inverterstufe gemäß der Erfindung, die zwei in Reihe geschaltete Dioden enthält. Die Torelektroden der komplementären Transistoren sind parallel mit einer Impulsquelle verbunden, während die Inverterstufe selbst zwischen Impulsquellen angeschlossen ist, die der Inverterschaltung Spannung entgegengesetzter Polarität zuführen;

Fig. IA ein Impulsdiagramm der an den Leitungen φ und

4 während des Entsperr- und des Sperrteils eines gegebenen Zyklus zugeführten Spannungen;

Fig. 2 schematisch ein Schaltbild eines Schieberegisters

für dynamischen Betrieb unter Verwendung von Inverterschaltungen gemäß Fig. 1. Dabei besteht eine solche Schieberegisterstufe aus zwei Inverterschaltungen , die unter sich wiederum komplementär geschaltet sind, so daß die Entsperrphase für den einen Inverter die Sperrphase für den anderen Inverter darstellt;

Fig. 2A .die Impulsdiagramme auf den Phasenleitungen φ

und ~φ, die dazu dienen, an den Impuls leitungen zugeführte Information im Schieberegister von Stufe zu Stufe weiterzuschieben;

Fig. 3 schematisch die Schaltung einer Schieberegisterstufe, die in statischer Betriebsweise arbeitet. Zusätzlich zu der Schieberegisterstufe nach Fig. 2 enthält die hier gezeigte Schieberegisterstufe eine mit der ersten Inverterstufe identische dritte Inverterstufe, die

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zwischen die erste und zweite Inverterstufe eingeschaltet ist, bei der während des Entsperrzyklus die Ausgangsklemme über eine geeignete im Rückkopplungszweig liegende Schaltstufe mit dem Eingang des ersten Inverters kreuzgekoppelt ist;

Fig. 3A Impulsdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise

der Schieberegisterstufe nach Fig. 3 einschließlich der Potentiale, die zum Halten der gespeicherten Information dienen;

Fig. 4 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform

der Erfindung zum Betrieb in statischer Arbeitsweise. Diese Ausführungsform enthält eine weitere Inverterstufe, die unabhängig von gesonderten Phasenleitungen aus angesteuert wird, um das Ausgangssignal dieses zusätzlichen Inverters dem ersten Inverter einer Schieberegisterstufe zuzuführen, und

Fig. 4A Impulsdiagramme zur Erläuterung des Verschiebevorgangs für am Eingang einer Stufe zugeführte Information, die nach der nächsten Stufe weitergeschoben werden soll sowie die Impulsdiagramme zum Betrieb der Schieberegisterstufe von Fig. 4 in der statischen Arbeitsweise.

In Fig. 1 sieht man zwei komplementäre Feldeffekttransistoren 1 und 2, die in Reihe mit einem Diodenpaar 3 und 4 geschaltet sind. Der Feldeffekttransistor 1 ist ein P-Kanal-Transistor vom Anreicherungstyp und der Feldeffekttranistor 2 ist ein N-Kanal-Transistor ebenfalls vom Anreicherungstyp. Die Torelektrode 5 des P-Kanal-Transistors 1 und die Torelektrode 6 des N-Kanal-Transistors sind parallel an einer Quelle für impulsförmige Spannungen angeschlossen, die in Fig. 1 mit IN bezeichnet ist. Die Quellen-

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elektrode des Transistors 1 ist mit einer Phasenleitung 7, die mit φ bezeichnet ist, verbunden, und die Quellenelektrode des Transistors 2 ist mit einer weiteren Phasenleitung 8, die auch mit ~§ bezeichnet ist, verbunden. Der Knotenpunkt 9 zwischen den Dioden 3 und 4 liefert ein Signal an eine Ausgangsschaltung in Fig. 1, was beispielsweise die Torelektroden einer gleichartigen Schaltung sein können oder aber logische Schaltkreise, die durch digitale Ausgangsspannungen betätigt werden.

In Fig. IA ist der Verlauf der Impulsspannungen, die zum Entsperren und Sperren der Schaltung nach Fig. 1 benutzt werden, gezeigt. Angenommen, es würde ein positiver Impuls ausreichender Amplitude den Torelektroden 5 und 6 der Feldeffekttransistoren 1 und 2 über den Eingang IN zugeführt. In diesem Fall wird ein N-Kanal-Feideffekttransistor leitend, während ein P-Kanal-Feldeffekttransistor gesperrt wird, wenn die beiden Impulse, die in Fig. IA mit Entsperren bezeichnet sind, gleichzeitig den Phasenleitungen Φ und IF zugeführt werden. Da N-Kanal-Transistor 2 leitend ist, ist der Knotenpunkt 9 mit dem Potential der Phasenleitung 4> verbunden, die auf dem Potential -V liegt, während der Knotenpunkt 9 andererseits durch den gerade gesperrten P-Kanal-Transistor 1 von der Phasenleitung φ abgetrennt ist, die auf einem Potential +V liegt. In diesem Fall arbeitet die Schaltung nach Fig. 1 als normale komplementäre inverterschaltung, die ausgangssei tig die Umkehrung des Eingangspotentials liefert. Wenn somit die Phasenleitung Φ auf einem positiven Potential +V und die Phasenleitung "φ auf einem negativen Potential -V liegt, dann ist die Schaltung nach Fig. 1 in ihrem Entsperrzustand.

Wird eine negative Spannung ausreichender Amplitude an den Torelektroden 5 und 6 über die impulsmäßig getastete Eingangsschaltung IN zugeführt, wird der P-Kanal-Transistor 1 leitend und der N-Kanal-Transistor 2 gesperrt. Damit ist aber der Knotenpunkt 9 von der Phasenleitung ~φ durch den gesperrten Transistor 2 abgetrennt, ist aber mit der Phasenleitung φ über den leitenden Transistor 1 und die in Durchlaßrichtung vorgespannte Diocle 3

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verbunden. Somit erscheint das am Eingang zugeführte negative Potential während des Entsperrzustandes am Knotenpunkt 9 als positive Ausgangsspannung. Wiederum arbeitet die Schaltung nach Fig. 1 als normale komplementäre Inverterstufe.

Die Schaltung nach Fig. 1 wird daraufhin in ihrem Entsperrzustand überführt, indem die in der zweiten Phase der Fig. IA gezeigten Potentiale an den Phasenleitungen φ und "φ zugeführt werden. Es wird somit ein negatives Potential -V and die Phasenleitung φ und ein positives Potential +V an die Phasenleitung lj> angelegt. In diesem Fall werden unabhängig vom Leitzustand der Transistoren beide Dioden 3 und 4 in Sperrichtung vorgespannt, so daß zwischen dem Knotenpunkt und den Phasenleitungen keine leitende Verbindung besteht und über die in Sperrrichtung vorgespannten Dioden 3 und 4 nur Leckströme fließen können. Somit ist das Potential am Knotenpunkt 9 effektiv vom Eingang abgetrennt und der Knotenpunkt bleibt auf dem Potential, das er kurz vor dem Anlegen des Entsperrsignals aufwies. Dieses Potential ist unabhängig vom Zustand des Eingangs und kann, wie noch gezeigt wird, den Torelektroden einer ähnlich aufgebauten Schältung zugeführt werden. Das Ausgangspotential ist außerdem unabhängig von den Potentialen auf den Phasenleitungen.

Daraus ergibt sich, daß man einfach durch umkehren der Schaltung nach Fig. 1, derart, daß der N-Kanal-Transistor 2 mit der Phasenleitung 7 oder φ und der P-Kanal-Transistor 1 mit der Phasenleitung 8 oder ? verbunden ist, eine ähnliche Inverterschaltung aufbauen kann, wobei jedoch die in Fig. IA gezeigten Potentiale zum Betrieb umgekehrt werden müssen. Es leuchtet ein, daß dann wenn ein Inverter entsperrt ist, die Dioden eines jeden Inverters in bezug auf ihre zugehörigen Feldeffekttransitoren im leitenden Zustand sind. Wird dagegen ein Inverter gesperrt, dann wird die dem leitenden Feldeffekttransistor zugeordnete Diode in Sperrrichtung vorgespannt und damit nichtleitend.

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In Fig. 2 ist eine dynamische Schieberegisteranordnung gezeigt, die in jeder Stufe des Schieberegisters die beiden Schaltungstypen enthält, die zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden. Fig. 2 I ist eine Schaltung, die mit der in Fig. 1 identisch ist, und Fig. 2 IZ bezeichnet eine ähnliche Schaltung, bei der jedoch die Feldeffekttransistoren vertauscht und die Durchlaßrichtung der Dioden 3' und 4¹ umgekehrt ist. Zum Unterschied werden in dem Schaltungsteil 2 II gestrichene Bezugszeichen verwendet. Diese beiden Inverterstufen ergeben zusammen eine Schieberegisterstufe. Eine Anzahl gleichartiger Schieberegisterstufen kann zwischen den Phasenleitungen φ und "φ angeschlossen sein und kann auf jede erwünschte Größe ausgebaut werden. In Fig. 2 ist die Schaltung II die Umkehrung der Schaltung I und der Entsperrteil des Schieberegisterzyklus für die Schaltung I ist der Sperrzyklus für die Schaltung II und umgekehrt. Die Impulsformen in Fig. 2A werden dazu benutzt, von einer impulsmäßig betriebenen Quelle IN am Knotenpunkt NO zugeführte Information nacheinander während Entsperr-/Sperrzykleh nach den Knotenpunkten Nl und N2 durchzuschalten. In Fig. 2 ist somit ein Entsperr-/Sperrzyklus nötig, um ursprünglich am Knotenpunkt NO zugeführte Information nach dem Ausgangsknotenpunkt N2 durchzuschalten. Beispielsweise wird in Fig. 2 am Knotenpunkt NO über die Stufe IN ein positiver Impuls angelegt, der während des Entsperrabschnittes des Schieberegisterzyklus nach Nl verschoben wird, wie im Zusammenhang mit der Schaltung nach Fig. 1 beschrieben, und liefert ein negatives Signal an den Torelektroden 5¹, 6¹ der Feldeffekttransistoren 1·, 2·. Zum Beginn des Sperrabschnittes des Zyklus für Schaltung I oder dem Entsperrabschnitt für Schaltung II, in Fig. 2A durch D-I, E-II bezeichnet, wird eine positive Spannung an die Phasenleitung J und eine negative Spannung an die Phasenleitung φ angelegt. Die negative Spannung an der Torelektrode 5' des P-Kanal-Transistors I¹ macht diesen Transistor leitend, und der Knotenpunkt N2 wird über den leitenden Transistor 1· und die in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 3" auf das Potential der Phasenleitung φ aufgeladen. Daraus sieht man, daß das positive Eingangssignal am Knotenpunkt NO als positives Aus-

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gangssignal am Knotenpunkt N2 auftritt. Man sieht also, daß durch einfache Umkehr der Durchlaßrichtung der Dioden und der Lage der Feldeffekttransistoren in der Schaltung das Entsperrsignal für eine Stufe zum Sperrsignal für die andere Stufe wird. Somit wird also eine Stufe entsperrt, während gleichzeitig die andere gesperrt wird, wodurch effektiv die Potentiale an den nachfolgenden Knotenpunkten voneinander isoliert sind. Man sieht, daß ein negativer Impuls am Punkt IN ein negatives Potential am Ausgangsknotenpunkt N2 der Schaltung II zur Folge hat wegen der doppelten Inversion, die in der gleichen Weise auftritt wie es im Zusammenhang mit einem positiven Impuls bei IN beschrieben wurde.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung arbeitet dynamisch, da die Information an einem isolierten Knotenpunkt aufrechterhalten wird, wobei allerdings die Ladung wegen der Leckstromkreise langsam abfließen kann und daher kontinuierlich während nachfolgender Sperr-/ Entsperrzyklen nachgeliefert werden muß, um die Informationspegel aufrechtzuerhalten, die durch Leckverluste verringert werden. Um diesen ständigen impulsmäßigen Betrieb zu vermeiden und eine gleichstromstabile oder statische Schieberegisterschaltung zu schaffen, kann die Schaltung in Fig. 2 durch Hinzufügen einer weiteren Inverterstufe und einer über eine Torschaltung geführten Rückkopplungsleitung erweitert oder modifiziert werden, um die Schieberegisterstufe für statische Speicherung brauchbar zu machen. Dies ergibt sich aus einer Beschreibung der Fig. 3.

In dieser Fig. 3 ist eine Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Schieberegisterstufe gezeigt, mit der eine gleichstromstabile Arbeitsweise und Informationsspeicherung erreicht werden kann. In dieser Schaltung wird eine weitere Inverterstufe per Schieberegisterstufe verwendet, die zur gleichen Zeit wie die Eingangs inverterstufe entsperrt wird und mit dieser kreuzgekoppelt ist und eine bistabile Schaltung bildet. In Fig. 3 wird die Kreuzkopplung durch einen in Reihe geschalteten impulsmäßig betätigbaren Schalter erreicht, der zum geeigneten Zeitpunkt geschaltet werden kann.

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In Fig. 3 sind mit Fig. 2 identische Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

In Fig. 3 ist die Inverterstufe III zwischen den Stufen I und II eingeschaltet und ist mit der Stufe I identisch und besteht aus den Feldeffekttransistoren 11 und 12, die mit den Dioden 13 und 14 in Reihe geschaltet sind. Die Torelektroden 15 und 16 der Transistoren 11 bzw. 12 sind parallel mit dem Knotenpunkt Nl der Schaltung I verbunden. Der Knotenpunkt N3, der zwischen den Dioden 13 und 14 liegt, ist mit den Torelektroden 5', 6¹ der Feldeffekttransistoren I¹, 2* der Schaltung II verbunden. Außerdem ist der Knotenpunkt N3 über den N-Kanal-Feldeffekttransistor 30 mit dem Knotenpunkt NO verbunden. Die Torelektrode 31 des N-Kanal-Transistors 30 ist mit der Phasenleitung 32, die auch als φΗ2 bezeichnet ist, verbunden, die mit einer nicht gezeigten Spannungsquelle verbunden ist, die ein Signal liefert, wie es in der letzten Zeile φΗ der Fig. 3A gezeigt ist.

Im Betrieb arbeitet die Stufe I der Fig. 3 (unter der Annahme, daß eine positive Spannung am Knotenpunkt NO von der impulsförraig betriebenen Quelle IN anliegt) wie im Zusammenhang mit der Schaltung I in Fig. 2 beschrieben. Wenn die Schaltung I entsperrt wird, wird auch gleichzeitig die Schaltung III entsperrt und am Knotenpunkt N3 tritt ein positives Potential auf. Dadurch wird der Transistor 11 gesperrt und der Transistor 12 wird leitend, und der Knotenpunkt N3 wird über den leitenden Transistor 12 und die in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 14 auf das Potential der Phasenleitung φ aufgeladen. Während des Entsperrabschnittes des Schieberegisterzyklus werden die Stufen I und III gesperrt und die Stufe II wird entsperrt, wie dies durch die Bezeichnung E-II, D-I, III in Fig. 3A angezeigt.ist. Durch die an den Torelektroden 5', 6¹ der Transistoren 1' bzw. 2¹ anliegende positive Spannung wird der Transistor 2' leitend und der Transistor 1' gesperrt. Damit wird aber der Knotenpunkt N2 der Schaltung II mit dem Potential der Phasenleitung φ verbunden, die im Augenblick auf einem Potential von -V liegt. Somit

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kann die In Flg. 3 gezeigte Schaltung In dynamischer Betriebswelse arbeiten, solange die Entsperr-ZSperrpotentiale den Phasenleitungen φ und "φ zugeführt werden und solange die Leitung φΗ auf einem Potential liegt, das den Transistor 30 in seinem Sperrzustand hält. Es kann jedoch sein, daß es nicht länger erwünscht ist, die Schaltung in dynamischer Betriebsart zu betreiben. Durch Anlegen der Entsperrspannungen an die Phasenleitungen φ und <£ mit +V und -V Volt werden die Stufen I und III gleichzeitig entsperrt, während die Stufe II während des gleichen Zeitraums gesperrt wird. Liegt am Knotenpunkt NO eine positive Spannung, dann liegt am Knotenpunkt Nl eine negative Spannung, und am Knotenpunkt N3 liegt ein positives Potential. Wenn der N-Kanal-Transistor 30 durch eine an seiner Torelektrode 31 über die Phasenleitung 32 angelegte positive Spannung leitend gemacht wird, dann wird das positive Potential am Knotenpunkt N3 effektiv dem Knotenpunkt NO zugeführt, das die Schaltung I in einem Zustand hält, der das negative Potential am Knotenpunkt Nl und damit wiederum das positive Potential am Knotenpunkt N3 aufrechterhält. Auf diese Weise wird die Schaltung nach Fig. 3 so lange im statischen Zustand betrieben wie gewünscht oder bis die Information weitergeschoben werden soll. Wird das Potential auf der Phasenleitung φΗ auf -V geändert, dann wird der N-Kanal-Transistor 30 gesperrt und an den Phasenleitungen φ und <jT liegen Potentiale, die die Schaltungen I und III sperren und die Schaltung II einschalten. Damit wird das Potential am Knotenpunkt N3 auf einem positiven Potential gehalten, was bewirkt, daß Transistor 2* leitet und Transistor I¹ gesperrt wird, so daß ein negatives Potential am Knotenpunkt N2 angelegt wird, das dazu dienen kann, als Eingangssignal für ein Paar Torelektroden der nächstfolgenden Stufe I einer Schieberegisterstufe zu dienen. Der statische Betriebszustand wurde zwar nur in Verbindung mit einer Schieberegisterstufe erläutert. Es leuchtet jedoch ohne weiteres ein, daß jede Schieberegisterstufe die gleiche Schaltung verwenden kann, und daß alle N-Kanal-Transistoren 30 parallel an der Phasenleitung φΗ angeschlossen sein können, so daß der statische Zustand gleichzeitig in allen Stufen des Schieberegisters aufrechterhalten

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werden kann.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Schieberegisters mit gleichstromstabilem Betrieb dargestellt, die pro Schieberegisterstufe eine separat betätigte Inverterstufe III enthält, deren Knotenpunkt N3 unmittelbar mit dem Knotenpunkt NO verbunden ist. Fig. 4A zeigt die an den Phasenleitungen Φ und ? und die an den Phasenleitungen φ¹ und "φ¹ liegenden Potentiale. Während des normalen Verschiebevorgangs liegen die Verschiebepotentiale an den Leitungen φ und "φ, und die von der impulsförmig betriebenen Quelle IN am Knotenpunkt NO zugeführt^ Information wird durch das Schieberegister der Fig. 4 in genau der gleichen Weise weitergeschoben, wie sie im Zusammenhang mit der Arbeitsweise der Fig. beschrieben wurde.. Die Schaltungen I, II in Fig. 4 sind mit denen in Fig. 2 identisch. Sollte es jedoch erwünscht sein, die im Schieberegister der Fig. 4 eingeführten Daten statisch einzuspeichern, werden die Phasenleitungen Φ und 4* durch-Anlegen der Spannungen +V und -V in ihrem Entsperrzustand gehalten. Zum gleichen Zeitpunkt wird die Schaltung III, die während des Verschiebevorgangs durch Anlegen der Potentiale -V und +V an den Phasenleitungen φ¹ und *φ* in ihrem Sperrzustand gehalten war, in den Entsperrzustand überführt. Wird die Schaltung III zusammen mit der Schaltung I entsperrt (siehe die Bezeichnungen E-I, III, D-II in Fig. 4a für den statischen Zustand), dann liegt das Potential am Knotenpunkt Nl an den Torelektroden 15, 16 der Transistoren 11 bzw. 12. Ist das Potential am Knotenpunkt Nl negativ und die Potentiale auf den Phasenleitungen Φ¹, ?' +V bzw. -V, wird der Transistor 12 entsperrt und der Transistor 11 gesperrt. Dadurch wird der Knotenpunkt N3 über den leitenden Transistor 12 und die in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode 14 auf das Potential der Phasenleitung φ¹, das zu diesem Zeitpunkt das positive Potential +V ist, aufgeladen. Da der Knotenpunkt N3 mit den Torelektroden 5 und 6 der Transistoren 1 und 2 der Schaltung I verbunden ist, wird das positive Potential rückgekoppelt und hält die Transistoren in der 1, 2 im selben Zustand, bis das Verschieben der Information durch das Schieberegister der Fig. 4 erneut erfor-

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derlich ist. In Fig. 4 bilden die Stufen I-III eine Stufe des Schieberegisters, und alle nachfolgenden Stufen des Schieberegisters sind damit identisch. Wenn die statische Betriebsart gewünscht ist, werden alle Schaltungen III, die an den Phasenleitungen φ¹ und φ"' angeschlossen sind, gleichzeitig betätigt, und der Zustand ihrer damit verbundenen Stufen I und II wird statisch zum gleichen Zeitpunkt aufrechterhalten. Die Schaltungen der Fig. 1 und 4 haben gegegenüber den bisher bekannten Schieberegisterschaltungen die folgenden Vorteile:

a) Die hier verwendeten Feldeffekttransistoren arbeiten immer in Quell-Elektrodenschaltung.

b) Schaltungseinschwingvorgänge durchlaufen immer nur einen einzigen Feldeffekttransistor in jeder Inverterstufe, woraus sich eine erhöhte Geschwindigkeit ergibt.

c) Die bisher erforderlichen Obertragungstorschaltungen, die bei bekannten komplementären Inverterstufen erforderlich waren, sind hier nieht mehr nötig, so daß sich ein verringerter Flächenbedarf und ein schnelleres Durchschalten ergibt.

d) Die Verwendung von Schottky-Dioden als Dioden für die Schaltungen der Fign. 1 bis 4 erfordert relativ schmale Flächenbereiche je Stufe.

Da die Herstellungsverfahren für die in Fig. 1 bis 4 beschriebenen Schaltungen kein Teil der Erfindung darstellen, sollen auch keine besonderen Verfahrensschritte zur Herstellung angegeben werden. Es genüge festzustellen, daß jede der hier beschriebenen Schaltungen mit handelsüblichen Feldeffekttransistoren und Dioden aufgebaut werden kann. In integrierter Schaltungstechnik sind eine Reihe von Verfahren anwendbar, bei der N- und P-leitende Zonen durch Diffusionsschritte hergestellt werden können, in denen Quellen- und Senkengebiete gebildet werden können. Bei einem Verfahren können Schottky-Dioden in Serie mit Quell-Elektroden- und Senkenelektroden-Diffusionen dadurch hergestellt werden, daß während des Metallisiervorgangs geeignetes Kontakt-

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material benutzt wird, wodurch die Zahl der erforderlichen Verfahrensschritte zum Herstellen solcher Schaltungen in integrierter Schaltungstechnik weitgehend verringert wird.

Bei den Schaltungen nach Fig. 1 bis 4 ist es ohne weiteres klar, daß die in den Schaltungen verwendeten Dioden nicht unbedingt in Reihe zwischen den Feldeffekttransistoren eingeschaltet werden müssen, sondern auch zwischen den Phasenleitungen und den Feldeffekttransistoren liegen können, ohne daß sich dadurch die Arbeitsweise der Schieberegister in irgendeiner Form verändert. Generatoren zur Erzeugung der in den Fign. IA bis 4A gezeigten Impulsformen sind nicht besonders beschrieben worden. Es können jedoch beliebige bekannte Impulsgeneratoren, die sogar handelsüblich erhältlich sind, benutzt werden.

Im praktischen Betrieb können die Schieberegister der Fig. 1-4 unter Verwendung von Spannungspegeln zwischen +5 V und -5 V sowie mit Eingangsspannungen mit denselben Spannungspegeln betrieben werden. Diese Spannungspegel sind natürlich eine Funktion der Schwellwertspannungen der komplementären Transistoren. Unter solchen Bedingungen lassen sich Verschiebetakte von 100 MHz erwarten, die sogar noch höher sein können, wenn man bereit ist, die Forderungen nach kleinster Fläche und dichtester Packung etwas zu lockern oder höhere Spannungen in Kauf zu nehmen willens ist.

Bei der Beschreibung der Schaltungen nach Fig. 1-4 wurden immer nur die Spannungen +V und -V angegeben. Es leuchtet selbstverständlich ein, daß noch andere Potentiale ohne Abweichung vom Wesen und Anwendungsbereich der Erfindung verwendbar sind. Beispielsweise kann die Spannung +V die positivere von zwei positiven Spannungen sein und die Spannung -V die negativere von beiden. Insbesondere können die Schaltungen der Fig. 1-4 mit Potentialen von -V und Erdpotential und +V und Erdpotential betrieben werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Iy Inverterstufe, gekennzeichnet durch ein Paar komplementärer Feldeffekttransistoren (1, 2), deren Torelektroden (5/ 6) an der Eingangsklemme angeschlossen sind, ferner durch zwei mit den Transistoren in Reihe geschaltete nur in einer Richtung leitende Schaltelemente (3, 4) und durch Schaltmittel (IN, φ, 4Ö zum Anlegen zweier unterschiedlicher Potentiale, um die Ausgangsklemme während des ersten Teils eines Zyklus auf eines der beiden Potentiale zu bringen und während eines zweiten Teils eines Zyklus auf dem einen oder anderen Potential zu halten.
2. Inverterstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nur in einer Richtung leitenden Schaltelemente Dioden sind.
3. Inverterstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nur in einer Richtung leitenden Schaltelemente Schottky-Sperrschientdioden sind.
4. Inverterstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen der beiden verschiedenen Potentiale eine impulsmäßig arbeitende Potentialquelle (IN) mit dem Eingang der Schaltung verbunden ist und während des ersten Teils eines Arbeitszyklus ein positives und ein negatives Potential liefert.
5. Inverterstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsmäßig betriebene Potentialquelle eingangsseitig während eines ersten Teiles des Zyklus ein positives Potential und Erdpotential liefert.
6. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsmäßig betriebene Potentialquelle eingangsseitig während eines ersten Teils des Zyklus ein nega-

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- 17 tives Potential und Erdpotential liefert.
7. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen des ersten und zweiten Potentials eine erste und eine zweite impulsmäßig betriebene Potentialquelle vorgesehen ist, die während eines ersten Abschnittes eines Zyklus positive und negative Potentiale dem Inverter zuführen, wobei die erste impulsmäßig betriebene Potentialquelle außerdem ein Potential entgegengesetzter Polarität gleichzeitig der zweiten Impulsquelle zuführt.
8. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen des ersten und zweiten Potentials eine erste und eine zweite impulsmäßig betriebene Potentialquelle vorgesehen ist, die während eines ersten Abschnittes eines Zyklus positive und Erdpotentiale dem Inverter zuführen, wobei die erste impulsmäßig betriebene Potentialquelle außerdem ein Potential entgegengesetzter Polarität gleichzeitig der zweiten Impulsquelle zuführt.
9. Inverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen des ersten und zweiten Potentials eine erste und eine zweite impulsmäßig betriebene Potentialquelle vorgesehen ist, die während eines ersten Abschnittes eines Zyklus negative und Erdpotentiale dem Inverter zuführen, wobei die erste impulsmäßig betriebene Potentialquelle außerdem ein Potential entgegengesetzter Polarität gleichzeitig der zweiten Impulsquelle zuführt.
10. Inverterstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Halten des Ausgangspotentials die eingangsseitig angeschlossenen impulsmäßig betriebenen Potentialquellen während des zweiten Abschnittes eines Zyklus zu den Potentialen, die im ersten Abschnitt des Zyklus angelegt wurden, komplementäre Potentiale liefern.

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11. Inverterstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die komplementären Feldeffekttransistoren vom Änreicherungstyp sind.
12. Verwendung von Inverterstufen nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Schieberegister zur Verschiebung von Information vom Eingang zum Ausgang des Registers während des Entsperr- und Sperrabschnittes eines Zyklus, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schieberegisterstufe aus einer ersten Inverterstufe und einer zweiten dazu komplementären Inverterstufe mit je einem Paar komplementärer Feldeffekttransistoren besteht, deren Torelektroden parallel geschaltet sind und bei denen ein Paar nur in einer Richtung leitende Bauelemente in Reihe mit den Transistoren geschaltet sind, wobei der zweite Inverter in bezug auf den ersten Inverter umgekehrt angeordnet ist und der Ausgang des ersten Inverters mit dem Eingang des zweiten Inverters verbunden ist, und daß Schaltmittel mit dem ersten und zweiten Inverter zum Entsperren und Sperren der Inverter während eines Zyklus vorgesehen sind, so daß einer der beiden Inverter entsperrt ist, während der andere gesperrt ist und die zugehörigen nur in einer Richtung leitenden Bauelemente der jeweiligen Inverter leitend sind, wenn der zugehörige Inverter entsperrt ist.
13. Schieberegister nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine impulsförmig betriebene Spannungsquelle positive und negative Potentiale den Torelektroden der ersten Inverterstufe zuführt.
14. Schieberegisterstufe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsmäßig betriebene Potentialquelle ein positives Potential und Erdpotential an die Torelektroden des ersten Inverters zuführt.
15. Schieberegisterstufe nach Anspruch 12, dadurch gekenn-YO 970 080 2 0 9 8 8 ?/ 0 9 ft 3

zeichnet, daß die Impulsmäßig betriebene Spannungsquelle ein negatives Potential und Erdpotential den Torelektroden des ersten Inverters zuführt.
16. Schieberegisterstufe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel mit dem ersten und zweiten Inverter verbunden sind, die die an dem Eingang und Ausgang liegenden Potentiale während eines Teils des Zyklus statisch aufrechterhalten.
17. Schieberegister nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die nur in einer Richtung leitenden Bauelemente Dioden sind.
18. Schieberegisterstufe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die nur in einer Richtung leitenden Bauelemente Schottky-Sperrschichtdioden sind.
19. Schieberegisterstufe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entsperren und Sperren der Inverterstufen eine erste und zweite impulsmäßig betriebene Potentialquelle vorgesehen ist, die positive und negative Potentiale gleichzeitig den Invertern zuführen, und daß die während des Sperrteils des Zyklus zugeführten Potentiale das Komplement der während des Entsperrteiles zugeführten Potentiale sind;

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