DE3108342A1 - Dynamische schieberegisterschaltung - Google Patents

Dynamische schieberegisterschaltung

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Description

Dynamische Schieberegisterschaltung
Die Erfindung betrifft eine dynamische Schieberegisterschaltung unter Verwendung von Metalloxidhalbleiterbzw. MOS-Transistoren.
Es sind verschiedene dynamische Schieberegisterschaltungen bekannt, welche Eingangsdaten dynamisch festhalten bzw. speichern und welche die Gate-Kondensatoren (Kapazitäten) von MOS-Transistoren ausnutzen. Verbreitet verwendete Registerschaltungen dLeser Art sind ein verhältnisloses (ratioless) dynamisches Schieberegister und eine Schieberegisterschaltung aus einem sog. E/D-Umsetzer (Anreicherungs/Verarmungs-Umsetzer) und einer mit diesem in Kaskade geschalteten Ubertragungs-Torschaltung (transfer gate circuit). Der E/D-ümsetzer enthält einen als Lasttransistor dienenden Verarmungs-MOS-Transistor und einen als Ansteuer- bzw. Treibertransistor dienenden Anreicherungs-MOS-Transistor .
Die mit einem E/D-Umsetzer versehene Schieberegisterschaltung weist unweigerlich eine Gleichstromstrecke auf, so daß sie einen hohen Stromverbrauch besitzt. Das verhältnislose dynamische Schieberegister ist mit ihm eigenen Nachteilen behaftet: Seine Ausgangsspannung kann nicht auf die Stromquellenspannung angehoben werden, und das Register vermag nicht ein Ausgangssignal ausreichender Größe zu liefern.
Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines dynamischen Schieberegisters, das nur einen geringen Strombedarf besitzt und dennoch eine Ausgangssignal ausreichend großer Amplitude zu liefern vermag.
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Diese Aufgabe wird bei einer dynamischen Schieberegisterschaltung der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch eine Eingangsklenune, durch eine Ausgangsklemme, durch eine an die Eingangsklemme angeschlossene erste übertragungs-Torschaltungseinheit zur Abnahme eines Eingangssignals und zur Übertragung desselben unter der Steuerung eines ersten Taktsignals, durch einen Umsetzer zum Invertieren des Pegels eines Ausgangssignals der ersten Torschaltungseinheit, durch eine an den Umsetzer angeschlossene zweite Übertragungs-Torschaltungseinheit zur Abnahme eines Ausgangssignals des Umsetzers und zur übertragung dieses Ausgangssignals unter der Steuerung eines zweiten Taktsignals, dessen Pegel demjenigen des ersten Taktsignals entgegengesetzt ist, durch einen Signalfolgerkreis zur Lieferung eines Ausgangssignals eines Pegels, der dem Pegel des Ausgangssignals der ersten übertragungs-Torschaltungseinheit folgt, und durch eine an eine erste und eine zweite Stromquellenspannung angeschlossene Logikschaltung, die durch ein Ausgangssignal des Signalfolgerkreises aktivierbar ist und eine Invertier- bzw. Umsetzerfunktion in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der zweiten Übertragungs-Torschaltungseinheit zu gewährleisten vermag.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer dynamischen Schieberegisterschaltung mit Merkmalen nach der Erfindung,
Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild der dynamischen Schieberegisterschaltung gemäß Fig. 1 und
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Fig. 3A bis 3H Zeitsteuer- bzw. Taktdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2.
Die in Fig. 1 dargestellte dynamische Schieberegisterschaltung umfaßt eine Ubertragungs-Torschaltung 11, einen Umsetzer 12, eine weitere Ubertragungs-Torschaltung 13 und einen Signalfolgerkreis 14. Die Ubertragungs-Torschaltung
11 wird durch einen Taktimpuls φ zur Steuerung eines Eingangssignals angesteuert. Dies bedeutet, daß die Torschaltung 11 das Auslesen und Einschreiben des Eingangssignals unter der Steuerung des Steuer-Taktsignals φ steuert.
Ein Ausgangssignal der Torschaltung 11 wird dem Umsetzer
12 eingegeben und durch diesen in seinem Pegel invertiert. Ein Ausgangssignal des Umsetzers 12 wird der Ubertragungs-Torschaltung 13 zugeführt, die durch einen Steuer-Taktsignalimpuls φ angesteuert wird, dessen Pegel demjenigen, des Steuer-Taktsignals φ entgegengesetzt ist. Unter der Steuerung durch das Steuer-Taktsignal φ überträgt die Torschaltung 13 das Ausgangssignal des Umsetzers 12.
Das Ausgangssignal der Ubertragungs-Torschaltung 11 wird auch dem Signalfolgerkreis 14 eingespeist, der so ausgelegt ist, daß er einem Signal nachfolgt, das von der Torschaltung 11 in deren Durchschaltzustand erzeugt wird. Genauer gesagt: der Pegel des Ausgangssignals des Signalfolgerkreises 14 ändert sich in Abhängigkeit vom Pegel des Ausgangssignals der durchgeschalteten Torschaltung 11. Wenn die Torschaltung 11 sperrt, wird das Ausgangssignal des Signalfolgerkreises 14 auf einem Bezugspotential, d. h. Massepotential gehalten. Das Ausgangssignal des Signalfolgerkreises 14 wird an die Gate-Elektrode eines n-Kanal-MOS-Transistors Q vom Anreicherungstyp angelegt, der an der einen Seite zur Aufnahme einer Spannung +V,-, geschaltet und an der anderen Seite mit einer Ausgangsklemme OUT der dynamischen Schieberegisterschaltung verbunden ist.
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Das Ausgangssignal der Ubertragungs-Torschaltung 13 wird an die Gate-Elektrode eines n-Kanal-MOS-Transistors Q2 vom Anreicherungstyp angelegt, der an der einen Seite an Massepotential liegt und an der anderen Seite mit der Ausgangsklemme OUT verbunden ist.
Zwischen Gate- und Source-Elektrode (d. h. Klemme OUT) des Transistors Q. ist ein Kondensator C eingeschaltet. Der Kondensator C kann aber auch weggelassen werden, weil- zwischen Gate- und Source-Elektrode des Transistors Q1 ein parasitärer Kondensator vorhanden ist. Vorzugsweise wird jedoch der Kondensator C als solcher vorgesehen, um das Potential an der Klemme OUT einwandfrei auf die Stromquellenspannung V,, anzuheben.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der dynamischen Schieberegisterschaltung beschrieben.
Es sei angenommen, daß die Eingangsimpedanz des MOS-Transistors Q- hoch ist und das Ausgangssignal der Ubertragungs-Torschaltung 13 daher dynamisch auf einem hohen Pegel gehalten wird. Wenn ein Hochpegel-Eingangssignal in die Ubertragungs-Torschaltung 11 eingespeist wird, während der Pegel des Steuer-Taktsignals φ hoch bleibt, d. h. z. B. auf dem Pegel der Stromguellenspannung +V-. liegt, erhält das Äusgangssignal des Signalfolgerkreises 14 einen hohen Pegel. Zu diesem Zeitpunkt besitzt das Steuer-Taktsignal φ einen niedrigen Pegel, und die Torschaltung 13: bleibt im Sperrzustand. Trotzdem wird der Ausgangssignalpegel der Torschaltung 13 auf einem hohen Wert gehalten. Der Transistor Q2 ist daher durchgeschaltet. Demzufolge besitzt das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme OUT einen niedrigen Pegel, d. h. Massepotential oder -pegel. Unter diesen Bedingungen liegt dec Kondensator C an einer Spannung V , die dem Unterschied zwischen der Stromquellenspannung V,, und der Summe aus den Spannungsabfällen an den Schaltkreisen 11 und 14 entspricht.
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Wenn ein Ausgangssignal niedrigen Pegels des Umsetzers 12 in die Torschaltung 13 eingespeist wird, während der Pegel des Steuer-Taktsignals φ hoch bleibt, geht der Transistor Q2 in den Sperrzustand über. Infolgedessen besitzt das an der Ausgangsklemme OUT auftretende Ausgangssignal einen hohen Pegel. Daraufhin erhöht sich der Pegel des Ausgangssignals des Signalfolgerkreis-es 14 praktisch auf die Summe der Spannung V und der Spannung V,,. Dies bedeutet, daß das an der Ausgangsklemme OUT erhaltene Ausgangssignal einen Pegel entsprechend der Stromquellenspannung von V, ·, erhält.
Fig. 2 veranschaulicht den Aufbau der dynamischen Schieberegisterschaltung im einzelnen. In Fig. 2 sind die den Teilen von Fig. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet.
Gemäß Fig. 2 enthält die dynamische Schieberegisterschaltung 9 n-Kanal-MOS-Transistoren Q1 bis Qg. Von diesen Transistoren sind die Transistoren Q1, Q2, Q-,, Q4, Q,, Q^ und Q„ vom Anreicherungstyp, während die anderen Transistoren Q5 und Qg vom Verarmungstyp sind.
Der Transistor Q^ bildet die Übertragungs-Torschaltung 11 . Seine Drain-Elektrode ist mit der Eingangsklemme IN der Schieberegisterschaltung verbunden, während seine Gate-Elektrode zur Abnahme eines Steuer-Taktsignals φ geschaltet ist.
Die Transistoren Q5 und Qfi bilden den Umsetzer 12. Die Drain-Elektrode des Transistors Q5 ist an die Spannung +V,, angeschlossen, während seine Source-Elektrode mit der Drain-Elektrode des Transistors Qc verbunden ist. Die Sourceis
Elektrode des Transistors Q6 liegt an einem Bezugspotential, d. h. Massepegel, und seine Gate-Elektrode ist mit der Source-Elektrode des Transistors Q, verbunden. Gate- und Source-Elektrode des Transistors Q5 sind an Massepotential angeschlossen.
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Die Transistoren Q7 und Q„ bilden den Signalfolgerkreis 14 des Source-Folgertyps. Die Drain-Elektrode des Transistors Q7 liegt an der Spannung +V,,, während seine Source-Elektrode mit der Drain-Elektrode des Transistors Q0 ver-
bunden ist. Source- und Gate-Elektrode des Transistors Qg. sind zusammengeschaltet. Die Gate-Elektrode des Transistors Q7 ist mit der Source-Elektrode des Transistors Q3 verbunden.
Der Transistor Q. bildet die Ubertragungs-Torschaltung 13. Seine Drain-Elektrode ist mit der Source-Elektrode des Transistors Qc sowie mit der Drain-Elektrode des Transistors Q6 verbunden, während seine Gate-Elektrode zur Abnahme eines Steuer-Taktsignals φ geschaltet ist.
Die Gate-Elektrode des den Kondensator C darstellenden oder bildenden Transistors Qg ist an die Source-Elektrode des Transistors Q7 sowie an die Drain-Elektrode des Transistors Q8 angeschlossen. Der Transistor Q9 kann wahlweise weggelassen werden, weil - wie erwähnt - zwischen Gate- und Source-Elektrode des Transistors Q1 ein parasitärer Kondensator (Kapazität) vorhanden ist". Der Transistor Qq ist lediglich vorgesehen, um das Potential an der Ausgangsklemme OUT einwandfrei auf die Stromquellenspannung +V,- anzuheben. Drain- und Source-Elektrode des Transistors Qn sind an die Ausgangsklemme OUT angeschlossen.
Die Drain-Elektrode des Transistors Q ist mit der Spannung
+V,, verbunden, während seine Source-Elektrode an der Ausdd
gangsklemme OUT liegt. Die Gate-Elektrode des Transistors Q1 ist mit der Source-Elektrode des Transistors Q7 sowie mit der Drain-Elektrode des Transistors Q0 verbunden.
Der Transistors Q -ist mit seiner Drain-Elektrode an die Ausgangsklemme OUT und mit seiner Source-Elektrode an Masse angeschlossen. Die Gate-Elektrode des Transistors Q^ ist mit der Source-Elektrode des Transistors Q. verbunden.
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Im folgenden ist anhand der Zeitsteuerdiagramire gemäß den Fig. 3A bis 3H die Arbeitsweise der Schieberegisterschaltung gemäß Fig. 2 erläutert.
Der Transistor Q3 bzw. die Ubertragungs-Torschaltung 11 bleibt durchgeschaltet, während das steuernde Taktsignal φ (Fig. 3A) einen hohen Pegel Besitzt. Auf ähnliche Weise bleibt der Transistor Q. bzw. die Ubertragungs-Torschaltung 13 durchgeschaltet, solange das steuernde Taktsignal φ (Fig. 3B) einen hohen Pegel besitzt. Im Durchschaltzustand nehmen die Torschaltungen 11 und 13 ein Eingangssignal ab und übertragen dieses zum nachgeschalteten Schaltkreis.
Es sei angenommen, daß das Ausgangssignal V4 (Fig. 3G) des Transistors Q4 dynamisch auf dem hohen Pegel gehalten wird. Wenn sodann ein Hochpegel-Eingangssignal (Fig. 3C) dem Transistor Q3 eingespeist wird, während der Pegel des Taktsignals φ hoch bleibt (z. B. auf dem Wert der Spannung +Vdd), liefert der Ausgang, d. h. die Source-Elektrode des Transistors Q3 ein Signal V1 (Fig. 3D) eines hohen Pegels "V,, V h03, wobei V , o die Schwellenwertspannung des Transistors Q, bedeutet. Infolgedessen wird der Transistors Q7 durchgeschaltet, wobei das Ausgangssignal V3 (Fig. 3F) des Signalfolgerkreises 14 auf einen hohen Pegel übergeht. Der Pegel L1 dieses Ausgangssignals entspricht praktisch V,-, (V,, o3 + V., o_), wobei V,, o7 die Schwellenwertspannung des Transistors Q? bedeutet.
Solange das steuernde Taktsignal φ einen hohen Pegel besitzt, besitzt das steuernde Taktsignal ς? einen niedrigen Pegel. Das·Ausgangssignal V4 (Fig. 3G) des Transistors Q4 wird daher dynamisch auf einem hohen Pegel gehalten. Der Transistor Q2 bleibt somit durchgeschaltet, und das Ausgangssignal (Fig. 3H) der Schieberegisterschaltung besitzt den Massepegel, während das Taktsignal φ einen hohen Pegel besitzt. Als Ergebnis wird der Kondensator C auf nahezu den Pegeln L1 (Fig. 3F) aufgeladen, welcher praktisch V,, - (V + VthQ7} entsPricht·
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Wenn ein Ausgangssignal V2 (Fig. 3E) niedrigen Pegels vom Umsetzer 2 in die Übertragungs-Torschaltung 13 eingeschrieben und aus ihr ausgelesen wird, während der Pegel des Steuer-Taktsignals φ hoch bleibt, sperrt der Transistor Q2, wobei das Ausgangssignal an der Klemme OUT auf den hohen Pegel übergeht. In diesem Fall steigt das Ausgangssignal V3 (Fig. 3F) des Signalfolgerkreises 14 praktisch auf Vdd - <VthQ3 + VthQ7> + Vdd an· Dies bedeutet, daß der Pegel des Ausgangssignals der Schieberegisterschaltung die Stromquellenspannung +V,^ übersteigt.
Wenn der Ausgangs(signal)pegel der Übertragungs-Torschaltung 11 niedrig ist, bleiben die Transistoren Q6, Q7 und Q1 gesperrt, so daß in der Schieberegisterschaltung keine Gleichstromstrecke vorhanden ist. Hieraus folgt, daß die Schieberegisterschaltung nur wenig Strom verbraucht. Insbesondere fließt der Gleichstrom nur während einer außerordentlich kurzen Zeit, wobei der Stromverbrauch verringert wird, wenn die Zeitkonstante Γ (= C-,Q"R_.Q) wesentlich kürzer ist als die Zeitspanne T, während welcher das Eingangssignal an die Eingangsklemme IN angelegt wird. (In obiger Beziehung bedeuten CQ9 die Kapazität des Transistors Qg und Rg den Widerstandswert des Transistors Qg). Wenn beispielsweise
Γ etwa 300 ns beträgt, während T= 10 με und die Periode des Steuer-Taktsignals φ oder φ - 100 ns betragen, wird die Zeitspanne, während welcher der Gleichstrom fließt, sehr stark verkürzt.
Die Spannung V3 (Fig. 3F) bzw. die Gate-Spannung des Transistors Q9 nimmt mit der Zeitkonstante Γ= C~Q-RrtO ab. Der
yy Qo
Pegel des Ausgangssignals (Fig. 3H) an der Ausgangsklemme OUT fällt jedoch während der halben Periode des Taktsignals φ oder φ in keinem Fall auf die Spannung V"dd oder darunter ab, wenn flie Zeitkonstante t >1/f gewählt ist, mit f = Frequenz des Taktsignals φ oder φ. Beispielsweise kann die Kapazität CQg eine Größe von 1 pF besitzen, und der Widerstandswert R Q kann 300 k& betragen, so daß die Zeitkonstante V = 300 ns beträgt und die Frequenz f bei 10 MHz liegen kann, so daß 1/f = 100 ns. In diesem Fall
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gilt Γ(= 300 ns) > 1/f (= 100 ns), so daß der Ausgangspegel der Klemme OUT während der halben Periode des Taktsignals φ oder φ in keinem Fall auf die Spannung V,, oder darunter abfällt.
Mit der Erfindung wird somit-eine dynamische Schieberegisterschaltung geschaffen, die bei vergleichsweise niedrigem Stromverbrauch ein Ausgangssignal mit einer der verwendeten Stromquellenspannung gleichen Amplitude zu liefern vermag.
Die Erfindung ist keineswegs auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise braucht der Signalfolgerkrois 14 nicht unbedingt ein Source-Folgerkreis zu sein. An seiner Stelle kann ein beliebiger anderer Schaltkreis verwendet werden, sofern sein Ausgangssignal einem Eingangssignal nachfolgt. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform folgt der Signalfolgerkreis 14 dem Ausgangssignal der Übertragungs-Torschaltung 11. Wahlweise kann er jedoch so geschaltet sein, daß er dem Ausgangssignal des Umsetzers 12 nachfolgt. Weiterhin können anstelle der n-Kanal-MOS-Transistoren auch p-Kanal-MOS-Transistoren zur Bildung einer dynamischen Schieberegisterschaltung verwendet werden. Eine aus p-Kanal-MOS-Transistoren geformte dynamische Schieberegisterschaltung entspricht bezüglich ihrer Arbeitsweise und ihrer Wirkung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, sofern sie mit einer Stromquellenspannung einer der Spannung +V,, entgegengesetzten Polarität, d. h. -V f gespeist wird.
Selbstverständlich sind dem Fachmann verschiedene weitere Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.
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Leerseite

Claims (5)

  1. Henkel, Kern, Feuer fr ti£nz£[ - : Patentanwälte
    Registered Representatives
    before the
    European Patent Office
    TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA . 3 1 Q ft 3 A
    Kawasaki, Japan
    MöhlstraBe 37 D-8000 München 80
    Tel.: 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkl d Telegramme: ellipsoid
    IW-55P1023-3 5. März 1981
    Dynamische Schieberegisterschaltung
    Patentansprüche
    ^1.)Dynamische Schieberegisterschaltung, gekennzeichnet durch eine Eingangsklemme (IN), durch eine Ausgangsklemme (OUT), durch eine an die Eingangsklemme angeschlossene erste Übertragungs-Torschaltungseinheit (11.) zur Abnahme eines Eingangssignals und zur übertragung desselben „unter der Steuerung eines ersten Taktsignals {φ), durch einen Umsetzer (12) zum Invertieren des Pegels eines Ausgangssignals der ersten Torschaltungseinheit, durch eine an den Umsetzer angeschlossene zweite Übertragungs-Torschaltungseinheit (13) zur Abnahme eines Ausgangssignals des Umsetzers und zur übertragung dieses Ausgangssignals unter der Steuerung eines zweiten Taktsignals {φ), dessen Pegel demjenigen des ersten Taktsignals entgegengesetzt ist, durch einen Signalfolgerkreis (14) zur Lieferung eines Ausgangssignals eines Pegels, der dem Pegel des Ausgangssignals der ersten Ubertragungs-Torschaltungseinheit folgt,
    130062/0610
    und durch eine an eine erste und eine zweite Stromquellenspannung angeschlossene Logikschaltung (Q1, Q2, C), die durch ein Ausgangssignal des Signalfolgerkreises aktivierbar ist und eine Invertier- bzw. Umsetzerfunktion in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der zweiten Ubertragungs-Torschaltungseinheit zu gewährleisten vermag.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung einen ersten MOS-Transistor, der
    . mit der einen Klemme an die erste Stromquellenspannung und mit der anderen Klemme an die Ausgangsklemme angeschlossen ist und dessen Gate-Elektrode zur Abnahme eines Ausgangssignals des Signalfolgerkreises geschaltet ist, und einen zweiten MOS-Transistor aufweist, dessen eine Klemme an die zweite Stromquellenspannung angeschlossen ist, während seine andere Klemme mit der Ausgangsklemme verbunden und seine Gate-Elektrode zur Abnahme eines Ausgangssignals der zweiten Übertragungs-Torschaltungseinheit geschaltet ist.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung einen ersten MOS-Transistor, der mit der einen Klemme an die erste Stromquellenspannung und mit der anderen Klemme an die Ausgangsklemme angeschlossen ist. u-id dessen Gate-Elektrode zur Abnahme eines AusgangssLgnals des Signalfolgerkreises geschaltet ist, einen zweiten MOS-Transistor, dessen eine Klemme an die zweite Stromquellenspannung angeschlossen ist, während seine andere Klemme mit der Ausgangsklemme verbunden und seine Gate-Elektrode zur Abnahme eines Ausgangssignals der zweiten Ubertragungs-Torschaltungseinheit geschaltet ist, und ein Kapazitätsbzw. Kondensatorelement aus einem MOS-Transistor aufweist, dessen Gate-Elektrode mit der Gate-Elektrode des ersten MOS-Transistors verbunden ist und dessen Drain- und Source-Elektroden mit der Ausgangsklemme verbunden sind.
    130062/0610
  4. 4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalfolgerkreis ein Source-Folgerkreis ist.
  5. 130062/0610
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