DE3237778A1

DE3237778A1 - Dynamisches schieberegister

Info

Publication number: DE3237778A1
Application number: DE19823237778
Authority: DE
Inventors: David E. Santa Monica Calif. Snyder
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1981-10-26
Filing date: 1982-10-12
Publication date: 1983-05-05
Also published as: JPS5880195A; US4469962A; FR2515405B1; FR2515405A1

Description

Anmelderin:

Hughes Aircraft Company Centinela and Teale Street Culver City, California U.S.A.

Stuttgart, den 7.10.1982 P 4238 S/Lö

Vertreter:

Eohler-Schwindling-Späth Patentanwälte
Hohentwielstraße 41

7000 Stuttgart 1

Dynamisches Schieberegister

Die Erfindung betrifft ein dynamisches Schieberegister in integrierter Schaltung, dessen Stufen jeweils eine Schaltungsanordnung mit Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MESFET) und mit einem Eingangsschalter umfassen.

Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind wenigstens seit Mitte der 60er Jahre bekannt. Es sind auch Galliumarsenid-Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (GaAs-MBSEETs) bekannt und in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben, wie beispielsweise in S.Y.Liao: "Microwave Devices and Circuits", Prentice-Hall, Inc.,. Seiten 288 bis 300,

Schieberegister verschiedener Art sind ebenfalls allgemein bekannt und in der Literatur beschrieben. Dynamische Schieberegister bestehen häufig aus einer Master-Slave- : Schaltung, bei welcher die Master- und Slave-Teile identisch sind und aus einem Schalter und einem invertierenden Verstärker bestehen. Das Ausgangssignal des Master-Teiles bildet das Eingangssignal für den Slave-Teil. Dynamische Schieberegister, die von Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistoren Gebrauch machen, sind in R.H. Crawford: "MOSFET in Circuit Design," McGraw-Hill, Inc., Seiten 107 - 112,behandelt.

MOSFET-Schieberegister sind relativ schnelle Schieberegister, jedoch besteht ein Bedarf an ständig schnelleren Verschiebegeschwindigkeiten. Mit MOSFETs aufgebaute Schieberegister haben eine in zweierlei Hinsicht begrenzte Arbeitsgeschwindigkeit. Zum einen tritt bei den Schaltungsanordnungen, die zum Verschieben der Information benutzt werden, bei jedem Verschiebevorgang eine Verzögerung um mehrere Verknüpfunßsoperationen ein. Zum zweiten haben MOSFETs als solche eine geringere Arbeitsgeschwindigkeit als andere elektronische Schalter, wie beispiels-

weise MESPEiPs, infolge der Ladungsspeichervorgänge, welche durch die Si0₂-Oxydoberflächen der MOSFET-Bauelemente bedingt sind.

Da MESFETs, MESFET-Schieberegister und andere logische Schaltungsanordnungen, die mit MESFETs aufgebaut sind, ihrem Wesen nach schneller sind als entsprechende MOSFET-Anordnungen, wurden Versuche gemacht, digitale MESFET-Schaltungen herzustellen, die keine MOSFET-Bauelemente für einwandfreie Schaltoperationen benötigen. Da Jedoch MESFET-Schaltungen nicht sowohl für logische "1^M- als auch "0" - Zustände im Zustand einer niedrigen Impedanz gehalten werden können, ohne das Gate des MESFET in Durchlaßrichtung vorzuspannen, waren diese Bauelemente nicht als Eingangs-Schalter für MESFET-Schieberegister geeignet, denn MESFET-Bauelemente ergeben bei Vorspannung in Vorwärtsrichtung eine Stromverschiebung und führen dadurch unerwünschte Fehler in die Schiebeoperationen ein. Daher weisen bekannte MESFET-Schieberegister einen MOSFET-Eingangsschalter oder dgl. auf, um das vorstehend behandelte Problem zu vermeiden. Dadurch wird jedoch gleichzeitig die den MOSFET-Bauelementen anhaftende Geschwindigkeitsbegrenzung der gesaraten übrigen MESFET-Schaltungsanordnung aufgeprägt, die das Schieberegister bildet.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die vorstehend behandelten Schwierigkeiten bei den bekannten Schieberegistern zu vermeiden und eine elektronische Schaltungsanordnung anzugeben, die dazu dienen kann, MESFET-Schieberegister mit sehr viel höheren Verschieberaten aufzubauen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß auch der Eingangsschalter des Schieberegisters ein MESFET ist und die Schaltungsanordnung ein NICHT-Glied umfaßt, mit dessen Eingang die Source- oder Drain-Elektrode des Schalt-MESFET verbunden ist, dessen Drain-Source-Impedanz durch ein Taktsignal periodisch änderbar ist und dessen Gatepotential auf einem Wert gehalten wird, der kleiner ist als die den beiden logischen Zuständen des NICHT-Gliedes zugeordneten Potentiale.

Durch die erfindungsgemäße Kombination eines Eingangsschalters in Form eines Schalt-MESFET mit einem NICHT-Glied werden die Probleme einer Vorspannung in Durchlaßrichtung sowie einer Stromleitung vermieden, die bisher die Verwendung eines MESSET als Eingangsschalter mit sich brachte. Mit solchen Stufen lassen sich dynamische Schieberegister aufbauen, die Verschieberaten bis zu 10 GHz aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Pig. 1 das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung;,

Fig. 2 das Schaltbild eines Schieberegisters , das von der in Pig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung Gebrauch macht, und

Fig. 3 ein Zeitdiagramm von Signalen, die in dem Schieberegister nach Fig. 2 auftreten.

Wie bekannt, kann ein Schieberegister aus einer beliebigen Anzahl von hintereinander oder in Kaskade geschalteten Stufen aufgebaut werden. Fig. 1 veranschaulicht eine elektronische Schaltungsanordnung, bei der es sich um den Grundbaustein für jede Stufe eines Schieberegisters handelt. Die Gate-Elektrode eines Schalt-MESFET 10 ist an einen Taktgeber 15 angeschlossen, während die Source-Elektrode mit einem NICHT-Glied 18 verbunden ist.

Der Taktgeber 15 erzeugt eine elektrische Wechselspannung, die gewöhnlich den Verlauf einer Rechteckwelle hat. Es können jedoch auch andere Signalformen verwendet werden, wenn es der Anwendungszweck so verlangt. Das NICHT-Glied 18 ist so ausgebildet, daß es jeden zugeführten logischen Pegel negiert. So wird eine dem Eingang zugeführte logische "0" in ein Ausgangssignal umgesetzt, das einer logischen "1" entspricht. Ein einer logischen "1" entsprechendes Eingangssignal wird zu einem für eine logische "0" charakteristischen Ausgangssignal.

Fig. 2 veranschaulicht das Schaltbild einer Stufe eines Schieberegisters nach der Erfindung. Die Schieberegister-

Stufe umfaßt einen Master-Teil 20 und einen Sl a ve-Teil Diese beiden Teile sind Jeweils durch gestrichelte Linien abgegrenzt. Der Ausgang des Master-Teiles 20 ist mit dem Eingang des Slave-Teiles 25 im Punkt G verbunden. Beide Teile 20 und 25 umfassen ,jeweils einen getakteten Schalter und ein NICHT-Glied. Das Eingangssignal für jeden Teil wird dem Schalter zugeführt. Das Ausgangssignal des Schalters gelangt zu dem NICHT-Glied, und es wird das Ausgangssignal des NICHT-Gliedes dem nachfolgenden Schaltungsteil zugeführt, wie es Fig. 2 zeigt und weiter unten im einzelnen beschrieben wird.

Im einzelnen ist der Eingang A des Master-Teiles 20 mit der Drain -Elektrode eines ersten MESFET T1 verbunden. Dem Gate des ersten MESFET T1 wird ein erstes Taktsignal CK1 zugeführt, das typischerweise zwischen zwei Spannungspegeln von -1V und -3V wechselt. Die Source-Elektrode des ersten MESFET T1 ist in einem Punkt B mit dem Gate eines zweiten MESFET T2 und über einen ersten Kondensator 01 mit Masse verbunden· Der erste MESFET T1 dient als Schalter für den Master-Teil 20.

Die Source-Elektrode des zweiten MESFET T2 ist mit Masse verbunden. Die Drain-Elektrode des zweiten MESFET T2 ist sowohl mit dem Gate als auch der Source-Elektrode eines dritten MESFET T? verbunden. Die Drain-Elektrode des dritten MESFET T 3 ist mit einer Gleichspannungsquelle V1 verbunden, die eine Spannung von 1,5V liefert. Me Drain-Elektrode des zweiten MESFET T2 ist weiterhin mit der

Anode einer ersten Diode D1 verbunden. Die Kathode der ersten Diode DI ist mit der Anode einer zweiten Diode D2 verbunden.

Eine Gleichspannungsquelle V"2, die eine Spannung von -3^V liefert, ist mit dem Gate und der Source-Elektrode eines vierten MESEET T4- verbunden. Die Drain-Elektrode des vierten MESFET T4· ist mit der Kathode der zweiten Diode D2 verbunden. Die Kathode der Diode D2 bildet den Ausgang des Master-Teiles 20 und ist im Punkt C mit dem Slave-Teil 25 verbunden.

Der zweite, dritte und vierte MESFET T2, T3 bzw. T4- bilden zusammen mit den Dioden D1 und D2 und dem Kondensator C1 das NICHT-Glied des Master-Teiles 20. Die Funktion des NICHT-Gliedes besteht darin, den logischen Zustand des Signals im Punkt B zu negieren.

Der Slave-Teil 25 ist ein identisches Duplikat des Master-Teiles 20, abgesehen davon, daß an das Gate des fünften MESFET T5 ein zweites Taktsignal CK2 angelegt ist, das die gleiche Frequenz hat wie das erste Taktsignal CK1, diesem gegenüber jedoch um 180 phasenverschoben ist. Der sechste, siebente und achte MESFET T6, T7 bzw. T8 bilden zusammen mit der dritten und der vierten Diode D3 bzw. D4- und dem zweiten Kondensator C2 das NICHT-Glied des Slave-Teiles 25.

Die beiden Schalt-MESFETs T1 und T5 haben entweder eine größere Dichte an Donator-Jonen oder einen dickeren

Ieitungskanal als die MESFETs der NICHT-Glieder. Dies kann durch eine selektive Ionenimplantation oder Ätzen der Gates erreicht werden. Diese Unterschiede in der Herstellung ergeben für die Schalt-HESFETs T1 und T5 eine Abschnürspannung von -2V im Vergleich zu einer Abschnürspannung von -1V für die anderen MESFETs. Weiterhin erhalten die Schalt-MESFETs T1 und T5 auf diese Weise ein hohes Stromleitvermögen, so daß sie die zugeordneten Kondensatoren C1 und C2 laden können, ohne dadurch in einen Zustand hoher Impedanz oder der Sättigung zu kommen.

Der Betrieb der Schieberegister-Stufe läßt sich anhand der in Fig. 3 dargestellten Signale beschreiben, nämlich der Taktsignale CK1 und CK2,des Signals am Eingang A, an dem das Ausgangssignal einer vorausgehenden Stufe des Schieberegisters oder eines nicht dargestellten Signalgenerators zugeführt wird. Das Ausgangssignal V^ wird der nächsten Stufe des Schieberegisters zugeführt.

Wenn die Spannungen V. und V_ß ursprünglich beide OV betragen, dann ist Vq bei -1V, weil es sich um den logischen Zustand handelt, der die Negation des Zustandes Vg ist. V_D befindet sich auf dem gleichen Potential wie V₀, da CK2 den MESFET T5 während eines der letzten Zyklen eingeschaltet hatte, wodurch die Potentiale V_n und Vjj im wesentlichen ausgeglichen wurden. Fortlaufende Zyklen der beiden Taktsignale bewirken keine Änderung der Zustände in den Schalt-Transistoren T1 und T5, weil V_A = V_B und V₀ . V_D.

Irgendwann wird das Potential V^ von OV auf -1V wechseln,

wie es Pig. 3 zeigt, da ein Signal von -1V dem Eingang A zugeführt wird. V/enn zu dieser Zeit das Taktsignal CK1 im Zustand -3V ist, ist der Schalt-MESFET ΤΊ durch die Vorspannung gesperrt, und es bleibt V_ß unverändert. Wenn jedoch das Taktsignal CK1 in den Zustand -1V wechselt, wird der Schalt-MESPET T1 in den leitenden Zustand gebracht, so daß auch. V_ß den Wert -1V annimmt. Das NICHT-Glied des Master-Teiles 20 bewirkt dann eine Änderung der Spannung V^ auf OV. Demgemäß wechselt V_c auf OV, kurz nachdem CK1 den Wert -1V angenommen hat.

Solange CK1 den Wert -1V behält, bleibt V_D unverändert, weil dann CK2 den Wert -3V hat und der Schalt-MESEET T5 im gesperrten Zustand gehalten wird. Wenn sich jedoch CK1 in -3V ändert, nimmt CK2 den Wert -1V an, wodurch der Schalt-MESFET T 5 leitend wird und eine Änderung von V_D zu OV bewirkt. ])as NICHT-Glied des Slave-Teiles 25 bewirkt dann, daß Vg sich in -1V ändert, nämlich in die Negation von Vj.. Da nunmehr wieder V. » V_ß und Y„ « V,., tritt während der folgenden Taktzyklen keine weitere Änderung ein.

Wenn das Eingangssignal auf OV zurückkehrt, solange CK1 « -3V ist, bleibt V_ß = -1V bis CK1 sich zu· -1V ändert. Zu dieser Zeit wird der Schalt-MESPET in den leitenden Zustand getrieben, so daß V_ß den Wert OV annimmt und V₀ sich in -1V ändert. V_fi bleibt jedoch bei OV, bis CK2 den Wert -1V annimmt und dadurch den Schalt-MOSFET T5 "schließt". Erst dann ändert sich V_D in -1V und bewirkt

eine Rückkehr von Vg zu OV. Keine weiteren Verschiebungen finden statt, solange sich V_A nicht ändert, denn es ist wieder V_A - V_B und V₀ * V_D.

Die vorstehenden Erläuterungen machen deutlich, daß die Schaltungsanordnung nach Pig. 2 die Normalfunktion der Stufe-eines Schieberegisters ausführt, indem sie bewirkt, daß der Ausgang den logischen Zustand des Einganges an~ nimmt und danach seinen Zustand jeweils nach Ablauf einer ganzen Taktperiode nach Änderung des Zustandes des Eingangssignales ebenfalls ändert.

Die Frequenz der Taktsignale CK1 und CK2 hat eine obere Grenze, welche durch die Aufladezeit der Kondensatoren 01 und C2 bestimmt ist, sowie eine untere Grenze, welche durch die Entladung der Kondensatoren über die Schalt-MESFETs T1 und T5, wenn diese Schalt-MESFETs gesperrt sind, und auch durch die kleinen Leckströme durch die MESFETs T2 und T6 bedingt sind. Wenn das beschriebene Schieberegister als integrierte Schaltung realisiert wird, bewirkt es ein Fortschreiten der Information mit einer Verzögerung, die nur gleich der Dauer von 2 Verknüpfungs-Operationen pro Verschiebevorgang ist.

Bei den MESFET-Bauelementen 10 und T1- bis.T8 handelt es sich ausschließlich um n-Kanal-Galliumarsenid-Elemente, die im Verarmungsbetrieb arbeiten. Unter "Verarmunp;sbetrieb" ist zu verstehen, daß das Bauelement bei einer Gatespannung von OV normalerweise leitend ist, und eine

- yC-

negative Schwellenapannung benötigt wird, um einen solchen MESFET zu sperren.

Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebene Ausführungsform lediglich ein erläuterndes Beispiel für die vielen möglichen, speziellen Ausführungsformen ist, die sich bei einer Benutzung der Prinzipien dieser Erfindung ergeben. Zahlreiche und unterschiedliche andere Anordnungen können nach diesen Prinzipien vom Fachmann konzipiert werden, ohne dadurch vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.

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Claims

Patentansprüche

Dynamisches Schieberegister in integrierter Schaltung, dessen Stufen jeweils eine Schaltungsanordnung mit Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MESFET) und nit einem Eingangsechalter umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Eingangsschalter ein I¹IESFET let und die Schaltungsanordnung ein NICHT-Glled umfaßt, mit dessen Eingang die Source- oder Drain-Elektrode des Schalt-MESFET verbunden ist, dessen Drain-Source-Impedanz durch ein Taktsignal periodisch änderbar ist und dessen Gatepotential auf einem Wert gehalten wird, der kleiner ist als die den beiden logischen Zuständen des NICHT-Gliedes zugeordneten Potentiale·

2· Dynamisches Schieberegister nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Absolutwerten der in bezug auf ein vorgegebenes Nullpotential gemessenen Minimal- und Maximalspannungen des dem Schalt-MESFET zugeführten Taktsignals der erste größer ist als der zweite, und daß die Maximalspannung des Taktsignals kleiner ist als die den beiden logischen Zuständen des NICHT-Gliedes zugeordneten Spannungen und daß außerdem die Maximalspannung des Taktsignals größer bzw· dessen Minimalspannung kleiner ist als die Abschnürspannung des Schalt-MESFET.

3. Schieberegister nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalt-MESFET ein GaAs-MESPET ist.

4-. Schieberegister nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktsignal eine Rechteckwelle ist.

5. Schieberegister nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktsignal an die Gate-Elektrode des Schalt-MESFET angelegt ist und das periodische Ein- und Ausschalten des Schalt-MESFET bewirkt.

6. Schieberegister nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktsignal abwechselnd die Spannungen -1V und -3V annimmt, die oberen und unteren logischen Pegel des NICHT-Gliedes OV bzw. -1V sind und der Schalt-MESFET eine Abschnürspannung von etwa -2V aufweist.

7. Schieberegister nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das NICHT-Glied einen ersten MESFET (T3), dessen Drain-Elektrode mit einer elektrischen Potentialquelle (V1) und dessen Source-Elektrode mit seiner Gate-Elektrode verbunden ist, einen zweiten MESFET (T2), dessen Drain-Elektrode mit der Source-Elektrode des ersten MESFET und dessen Source-Elektrode mit Masse verbunden ist,

einen dritten MESFET (T4-), dessen Gate- und Source-Elektroden mit einer elektrischen Potentialquelle (V2) negativer Polarität verbunden sind, und eine Anzahl in Serie geschalteter Dioden (D1, D2), von denen die erste Diode (DI) mit ihrer Anode an die Drain-Elektrode des zweiten MESFET (T2) und die letzte Diode (D2) mit ihrer Kathode an die Drain-Elektrode des dritten MESFET angeschlossen ist, umfaßt und sein Eingang (B) von der Gate-Elektrode des zweiten MESFET (T2) und ein Ausgang (C) von der Drain-Elektrode des dritten MESFET (TA) gebildet wird.

8. Schieberegister nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe zwei identische Schaltungsanordnungen (20, 25) umfaßt und der Ausgang des NICHT-Gliedes der ersten Schaltungsanordnung mit der Drain-Elektrode des Schalt-MESFET der zweiten Schaltungsanordnung verbunden ist und die Drain-Source-Impedanz des Schalt-MESFET der zweiten Schaltungsanordnung mit der gleichen Frequenz, S^ jedoch um 180° phasenverschoben, getaktet wird wie

die Drain-Source-Impedanz des Schalt-MEoWCT der ersten Schaltungsanordnung.

ORJGSMAL