DE3108342C2 - Dynamische Schieberegisterschaltung - Google Patents

Dynamische Schieberegisterschaltung

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Abstract

Eine erfindungsgemäße dynamische Schieberegisterschaltung weist eine Eingangs- und eine Ausgangsklemme auf. Weiterhin enthält sie eine erste, an die Eingangsklemme angeschlossene Übertragungs-Torschaltung (11) zur Abnahme eines Eingangssignals und zur Übertragung desselben unter der Steuerung eines ersten Taktsignals, einen Umsetzer (12) zum Invertieren des Pegels eines Ausgangssignals der ersten Übertragungs-Torschaltung (11), eine an den Umsetzer (12) angeschlossene zweite Übertragungs-Torschaltung (13) zur Abnahme eines Ausgangssignals des Umsetzers (12) und zur Übertragung des Ausgangssignals unter der Steuerung eines zweiten Taktsignals, das einen dem ersten Taktsignal entgegengesetzten Pegel besitzt, einen Signalfolgerkreis (14) zur Lieferung eines Ausgangssignals mit einem Pegel, welcher dem Pegel des Ausgangssignals der ersten Übertragungs-Torschaltung (11) nachfolgt, und eine mit zwei Stromquellenspannungen verbundene Logikschaltung (Q ↓1, Q ↓2, C). Die Logikschaltung (Q ↓1, Q ↓2, C) wird durch ein Ausgangssignal des Signalfolgerkreises (14) aktiviert, und sie liefert eine Invertier- bzw. Umsetzerfunktion in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der zweiten Übertragungs-Torschaltung (13). Die Logikschaltung (Q ↓1, Q ↓2, C) umfaßt ein Kapazitäts- bzw. Kondensatorelement (C), dessen eine Klemme mit der Ausgangsklemme des Signalfolgerkreises (14) verbunden ist, während seine andere Klemme an die Ausgangsklemme des dynamischen Schieberegisters angeschlossen ist.

Description

gekennzeichnet durch
einen Signalfolgerkreis (14) zur Lieferung eines Ausgangssignals eines Pegels, der dem Pegel des Ausgangssignals der ersten Ütertragungs-Torschaltungseinheit (11) folgt, und
eine an eine erste und eine zweite Stromquellenspannung angeschlossene Logikschaltung (Qi, Q 2, C), die durch ein Ausgangssignal des Signalfolgerkreises (14) f'-ti vierbar ist und eine Invertier- bzw. Umsetzerfunktion in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der zweiten Übertragungs-Torschaltungseinheit (13) zu gewährleisten vermag.
2. Schieberegisterschaltung nach Anspruch 1, η dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (Q 1. Qt C)einen ersten MOS-Transistor (Q X), der mit der einen Klemme an die erste Stromquellenspannung und mit der anderen Klemme an die Ausgangsklemme (OUT) angeschlossen ist und dessen Gate-Elektrode zur Abnahme eines Ausgangssignals des Signalfolgerkreises (14) geschalte' ist. und einen zweiten MOS-Transistor (Q 2), der mit der einen Klemme an die zweite Stromquellenspannung und mit der anderen Klemme an die Ausgangsklemme (OUT) angeschlossen ist und dessen Gate-Elektrode zur Abnahme eines Ausgangssignals der zweiten Übertragungs-Torschaltungseinheit (13) geschaltet ist. aufweist.
3. Schieberegisterschaltung nach Anspruch 2. so dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (Q 1, Q 2. C) außerdem ein Kapazitäts- bzw. Kondensatorelement (CC) aus einem dritten MOS-Transistor (Q 9) aufweist, dessen Gate-Elektrode mit der Gate-Elektrode des ersten MOS-Transistors (Q I) verbunden ist und dessen Drain- und Source-Elektroden an die Ausgangsklemme (OUT) angeschlossen sind.
4. Schieberegisterschaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der .Signalfolgerkreis (14) ein Source-Folgerkreis (Q 7, QS) ist.
65
Die Erfindung betrifft eine dynamische Schieberegislerschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Schaltung zur Erzeugung von Abfragetmpulsen mit einer Eingangsklemme, einer AusgangskJemme. einer an die Eingangsklemme angeschlossenen ersten Obertragungs-Torschaltungseinheit zur Abnahme eines Eingangssignals und zur Übertragung desselben unter Steuerung eines ersten Taktsignals, einem Umsetzer zum Invertieren des Pegels eines Ausgangssignals der ersten Übertragungs-Torschaltungseinheit und einer an den Umsetzer angeschlossenen zweiten Übertragungs-Torsehaltungseinheit zur Abnahme eines Ausgangssignals des Umsetzers und zur Übertragung dieses Ausgangssignals unter der Steuerung eines zweiten Taktsignals ist aus der DE-OS 29 23 746 bekannt Damit soll eine Schaltung zur -Urzeugung von Abfrageimpulsen geschaffen werden, die einfach im Aufbau ist und eine geringe Anzahl von Bauelementen in jeder Stufe benötigt
Außerdem wurden bereits verschiedene dynamische Schieberegisterschaltungen diskutiert, welche Eingangsdaten dynamisch festhalten bzw. speichern und die Kapazitäten der Gate-Kondensatoren von MOS-Transistoren ausnutzen. Allgemein verwendete Schieberegisterschaltungen dieser Art sind ein »verhältnisloses« dynamisches Schieberegister und eine Schieberegisterschaltung aus einem sogenannten E/D-Umsetzer (Anreicherungs/Verarmungs-Umsetzer) und einer mit diesem in Kaskade geschalteten Übertragungs-Torschaltung. Der E/D-Umsetzer enthält einen als Lasttransistor dienenden MOS-Transistor vom Verarmungstyp und einen als Ansteuertransistor dienenden MOS-Transistor vom Anreicherungstyp.
Die mit einem E/D-Umsetzer versehene Schieberegisterschaltung hat zwangsläufig eine Gleichstromstrekke. so daß sie einen hohen Stromverbrauch aufweist. Das verhältnislose dynamische Schieberegister hat ebenfalls Nachteile: seine Ausgangsspannung kann nicht auf die Stromquellenspannung angehoben werden, und das Schieberegister vermag nicht ein Ausgangssignal ausreichender Größe abzogebeti.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine dynamische Schieberegisterschaltung zu schaffen, die nur einen geringen Strombedarf besitzt und dennoch ein Ausgangssignal ausreichend großer Amplitude zu liefern vermag.
Diese Aufgabe wird bei einer dynamischen Schieberegisierschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches I erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung ermöglicht so eine dynamische Schieberegisterschaltung, die sich infolge des Signalfolgerkreises und der Logikschaltung durch einen geringen Strombedarf auszeichnet und dennoch ein Ausgangssignal mit ausreichend großer Amplitude abgeben kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. I ein Blockschaltbild einer dynamischen Schieberegisterschaltung mit Merkmalen nach der Erfindung,
Fig.2 ein detailliertes Schaltbild der dynamischen Schieberegisterschaltung gemäß F ig. 1 und
Fig.3A bis 3H Zeitsteuer- bzw. Taktdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2.
Die in Fig. I dargestellte dynamische Schieberegisterschaltung umfaßt eine Übertragungs-Torschaltung 11. einen Umsetzer 12. eine weitere Übertrasunes-Tnr-
schaltung 13 und einen Signalfolgerkreis 14. Die Übertragungs-Torschaltung 11 wird durch einen Taktimpuls Φ zur Steuerung eines Eingangssignals angesteuert Dies bedeutet daß die Torschaltung 11 das Auslesen und Einschreiben des Eingangssignal 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 Übertragungs-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 Übertragungs-Torschaltung Il 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 Ausgangssignal des Signalfolgerkreises 14 ändert sich in Abhängigkeit vom Pegel des Ausgangssignals der durchgeschalteten Torschaltung 11. Wenn die To. schaltung 11 sperrt, wird das Ausgangssignal des Signilfolgerkreises 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 + Vdd geschaltet und an der anderen Seite mit einer Ausgangsklemme OUT der dynamischen Schieberegisterschaltung verbunden ist Das Ausgangssignal der Übertragungs-Torschaltung 13 wird an die Gate-Elektrode eines n-Kanal-MOS-Transistors Qi 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 we. Jen. weil zwischen Gate- und Source-Elektrode des Transistors Q\ ein parasitärer Kondensator vorhanden ist. Vorzugsweise wird jedoch der Kondensator CaIs solcher vorgesehen, um das Potential an der Klemme OUT einwandfrei auf die Stromquellenspannung Vm 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 Übertragungs-TorschaltuHg 13 daher dynamisch auf einem hohen Pegel gehalten wird. Wenn ein Hochpegel-Eingangssignal in die Übertragungs-Torschaltung U eingespeist wird, während der Pegel des Steuer-Taktsignals Φ hoch bleibt, d. h. zum Beispiel auf dem Pegel der Stromquellenspannung + Vm liegt, erhält dasAusgangslignal 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 H auf einem hohen Wert gehalten. Der Transistor Qi ist daher durchgeschaltet. Demzufolge besitzt das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme OUT einen niedrigen Pegel, d.h. Massepotential oder -pegel. Unter diesen Bedingungen liegt der Kondensator C an einer Spannung V„ die dem Unterschied zwischen der Stromquellenspannung V1/,/ und der Summe aus den Spannungsu-Wällen an den Schaltkreisen 11 und 14 entspricht
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 Qt in den Sperrzustand über. Infolgedessen besitzt das an der Ausgangsklemme OUT auftretende Ausgangssignal einen hohen Pegel. Daraufhin erhöht sich der Pegel des Ausgangssignals des Signalfolgerkreises 14 praktisch auf die Summe der
ίο Spannung V, und der Spannung Vdd· Dies bedeutet daß das an der Ausgangsklemme OL/Terhaltene Ausgangs signal einen Pegel entsprechend der Stromquellenspannung von Vdd erhält
F i g. 2 veranschaulicht den Aufbau der dynamischen Schieberegisterschaltung im einzelnen. In Fig.2 sind die den Teilen von F i g. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet
Gemäß F i g. 2 enthält die dynamische Schieberegisterschaltung 9 n-Kanal-MOS-Transistoren Ci bis Q*
a> Von diesen Transistoren sind die Transistoren Qu Qi,
Qi. Q*, Qb, Qj und Q, vom Anreicherur. ■ typ, während
die anderen Transistoren Q, und Qa vom Vrrarmungstyp sind.
Der Transistor Qj bildet die Übertragungs-Torschal-
tung 11. Seine Drain-Elektrode ist mit der Eingangsklemme /Λ' der Schieberegisterschaltung verbunden, während seine Gate-Elektrode zur Abnahme eines Steuer-Taktsignals Φ geschaltet ist
Die Transistoren Qi und Ob bilden den Umsetzer IZ
» Die Drain-Elektrode des Transistors Q. ist an die Spannung + V& angeschlossen, während seine Source-Elektrode mit der Drain-Elektrode des Transistors Ot verbunden ist. Die Source-Elektrode des Transistors Qt 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 Qi sind an Massepotential angeschlossen.
Die Transistoren Qj und Qa bilden den Signilfolg;r-
kreis 14 des Source-Folgertyps. Die Drain-Elektrode des Transistors Qj liegt an der Spannung + Vdd, währet J seine Source-Elektrode mit der Drain-Elektrode des Transistors Q, verbunden ist. Source- und Gate-Elektrode des Transistors Q» sind zusarr.mengeschaltet. Die Gate-Elektrode des Transistors Qj ist mit der Source-Elektrode des Transistors Qj verbunden.
Der Transistor Qt bildet die Übertragungs-Torschaltung 13. Seine Drain-Elektrode ist mit der Source-Elektrode des Transistors Qs sowie mit der Drain-Elektrode des Transistors Qt verbunden, während seine Gate; Elektrode zur Abnahme eines Steuer Taktsignals Φ geschaltet ist.
Die Gate-Elektrode des den Kondensator C darstellenden ndrr bildenden Transistors Q, ist an die Source-Elektrode des Transistors Q1 sowie an die Drain-Elektrode des Transistors O» angeschlossen. Der Transistor Qt kann wahlweise weggelassen werden, weil — wie erwähnt — zwischen Gate- und Source-Elektrode des Transistors Q\ ein parasitärer Kondensator
M) (Kapazität) vorhander ist. Der Transistor Q, ist lediglich vorgesehen, uir das Potential an der Ausgangsklemme OUT einwandfrei auf die Stromquellenspannung + Vdd anzuheben. Drain- und Source-Elektrode des Transistors Qg sind an die Ausgangsklemme Oi/Tangeschlosf>5 sen.
Die Drain-Elektrode des Transistors Q\ ist mit der Spannung + V^ verbunden, während seine Source-Elektrode an der Ausgangsklemme OUT liegt. Die
Gate-Elektrode des Transistors Q\ ist mit der Source-F.lektrode des Transistors Q1 sowie mit der Drain-Elektrode des Transistors O% verbunden.
Der Transistor Q2 ist mit seiner Drain-Elektrode an die Ausgangsklemme Οί/Tund mit seiner Source-Elektrode an Masse angeschlossen. Die Gate-Elektrode des Transistors Q2 ist mit der Source-Elektrode des Transistors Q4 verbunden.
Im folgenden ist anhand der Zeitsteuerdiagramme gemäß den Fig.3A bis 3H die Arbeitsweise der Schieberegisterschaltung gemäß F i g. 2 erläutert.
Der Transistor Q, bzw. die Übertragungs-Torschaltung 11 bleibt durchgeschaltet, während das steuernde Taktsignal Φ (Fig. 3A) einen hohen Pegel besitzt. Auf ähnliche Weise bleibt der Transistor Q4 bzw. die Übertragungs-Torschaltung 13 durchgeschaltet, solange das steuernde Taktsignal Φ (F i g. 3B) einen hohen Pegel besitzt Im Durchschaltzustand nehmen die Torschaltungen 11 und 13 ein Eingangssignal ab und übertragen
Es sei angenommen, daß das Ausgangssignal V4 (F i g. 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 + Vm), liefert der Ausgang, d. h. die Source-Elektrode des Transistors Q, ein Signal V1 (F i g. 3D) eines hohen Pegels
Vdd- VlhQi,
wobei V,ho 3 die Schwellenwertspannung des Transistors Qi bedeutet. Infolgedessen wird der Transistor Qx durchgeschaltet, wobei das Ausgangssignal V3 (F i g. 3F) des Signalfolgerkreises 14 auf einen hohen Pegel übergeht. Der Pegel L 1 dieses Ausgangssignals entspricht praktisch
VlhQJ),
wobei V,i,Qj die Schwellenwertspannung des Transistors Q 7 bedeutet.
Solange das steuernde Taktsignal Φ einen_hohen Pegel besitzt, besitzt das steuernde Taktsignal Φ einen niedrigen Pegel. Das Ausgangssignal V 4 (F i g. 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 Cauf nahezu den Pegel L 1 (F i g. 3F) aufgeladen, welcher praktisch
Vöä-(VlhQ}+ VlhQ7)
entspricht
Wenn ein Ausgangssignal V2 (F i g. 3E) niedrigen Pegels vom Umsetzer 12 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 V'3 (F i g. 3F) des Signalfolgerkreises 14 praktisch auf
Vm-(V1110,+ Vlhol)+ Vm
an Dies bedeutet, daß der Pegel des Ausgangssignals der Schieberegisterschaltung die Stromquellenspannung + Kft/übersteigt.
Wenn der Ausgangs(signal)pegel der Übertragungs-Torschaltung 11 niedrig ist, bleiben die Transistoren Qb. Ql und QX gesperrt, so daß in der Schieberegister-Schaltung keine Gleichstromstrecke vorhanden ist. Hieraus folgt, daß die Schieberegisterschaitung nur wenig Strom verbraucht. Insbesondere fließt der Gleichstrom nur während einer außerordentlich kurzen Zeit, wobei der Stromverbrauch verringert wird, wenn
in die Zeitkonstante t{ = Cq9 ■ Rq») wesentlich kürzer ist als die Zeitspanne 7; während welcher das Eingangssignal an die Eingangsklemme /Λ/angelegt wird.(In obiger Beziehung bedeuten Cq* die Kapazität des Transistors Qi und Rq» den Widerstandswert des Transistors Q1.) Wenn beispielsweise r etwa 300 ns beträgt, während T= 10 μδ und die Periode des Steuer-Taktsignals Φ oder Φ= 100ns betragen, wird die Zeitspanne, während welcher der Gleichstrom fließt, sehr stark verkürzt. Die Spannung V3 (F i g. 3F) bzw. die Gate-Spannung
J" ucs TfitiisisiiM» ζ?' ΓιΐΐΓιϊΐΊΙ Γϊΐ'ιΐ der ZcitkcuSiSnic
V=CqI)-RqS ab. Der Pegel des Ausgangssignals (F i g. 3H) an der Ausgangsklemme OUT fällt jedoch während der halben Periode des Taktsignals Φ oder Φ in keinem Fall auf die Spannung Vm oder darunter ab,
-'> wenn die Zeitkonstante t>i/f gewählt ist, mit A= Frequenz des Taktsignals Φ oder Φ\ Beispielsweise kann die Kapazität Cq* eine Größe von 1 pF besitzen, und der Widerstandswert Rq» kann 300 kß betragen, so daß die Zeitkonstante r = 300 ns beträgt und die
ίο Frequenz /"bei 10 MHz liegen kann, so daß 1/A= 100 ns. In diesem Fall gilt
r( = 300ns)>l//"(=100ns),
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 Signalfolgerkreis 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 Ausgangs-
signal 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 dynamisehen 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 μ Stromquellenspannung einer der Spannung + Vm entgegengesetzten Polarität d. h. — V1* gespeist wird.
Selbstverständlich sind dem Fachmann verschiedene weitere Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Dynamische Schieberegisterschaltung, mit
einer EingangskJemme/W/ einer AusgangskJemme (OUTJ,
einer an die Eingangsklemme angeschlossenen ersten Obertragtings-Torschaltungseinheit (It) zur Abnahme eines Eingangssignals und zur Übertragung desselben unter der Steuerung eines ersten Taktsignals (Φ),
einem Umsetzer (12) zum Invertieren des Pegels eines Ausgangssignais der ersten Übertragungs-Torschaltungseinheit (11), und
einer an den Umsetzer (12) angeschlossenen zweiten Übertragungs-Torschaltungseinheit (13) zur Abnahme eines Ausgangssignals des Umsetzers (12) und zur Übertragung dieses Ausgangssignals unter der Steuerung eines zweiten Taktsignals (Φ), dessen Pegel demjenigen des ersten Taktsignals entgegengesetzt ist,
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