DE1949630A1

DE1949630A1 - Informationsspeicherstufe fuer ein Schieberegister

Info

Publication number: DE1949630A1
Application number: DE19691949630
Authority: DE
Inventors: Cook Harold Dale
Original assignee: Teletype Corp
Current assignee: AT&T Teletype Corp
Priority date: 1968-10-01
Filing date: 1969-10-01
Publication date: 1970-04-30
Also published as: NL6914832A; US3579273A; BE739627A; FR2019630A1

Description

Pfttntaiwilt BipL-hg. 6. W#iU!USen München, den "T. CKt.'I369

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4B

Teletype Corporation in Skokie, Illinois, V.St.A.

Informationsspeicherstufe für ein Schieberegister

In vielen Datenverarbeitungsanlagen ist es erforderlich, Register, insbesondere Schieberegister, zur zeitweiligen Informationsspeicherung vorzusehen. Schieberegister werden weitgehend zum Verzögern von Spannungsimpulsen, zum Speichern digitaler Informationen, zum Zählen von Spannungsimpulsen und zur Umwandlung digitaler Reiheninformationen in Parallelinformationen und umgekehrt verwendet.

Viele dynamische Schieberegister besitzen sechs Transistoren je Speicherstufe und arbeiten mit vier phasenverschobenen Uhrpulsen oder einem gleichwertigen System, s.B. zwei phasenverschobenen Uhrpulsen, wobei jeder der beiden Uhrpulse innerhalb der Stufe nochmals verzögert wird, um so einen dritten und vierten phasenverschobenen Puls zu erzeugen. Als Hauptspeicherzelle in jeder Stufe dient ein Kondensator. Die dem Register zugeführten Verschiebeimpulse müssen mit einer Pulsfrequenz zugeführt werden, die größer als die Zeitkonstante RC der

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verteilten Eingangskapazität der nächsten Stufe ist, um den Ladungszustand des Hauptspeicherkondensators jeder Zelle während der Verschiebung der Information durch das Register stets wieder herzustellen. Es existiert also eine sehr ausgeprägte untere Frequenzgrenze für den Betrieb derartiger Register.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Informationsspeicherstufe bzw. eines aus solchen Stufen zusammengesetzten P Schieberegisters, die den obigen Nachteil nicht aufweisen.

Hierzu ist die erfindungsgemäße Informationsspeicherstufe für ein Schieberegister mit einem Kondensator als Hauptspeicherzelle dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung der Hauptspeicherzelle durch zwei Uhrimpulse gemäß einem Informationssignal gesteuert wird und daß ein Schaltglied unter Steuerung durch einen weiteren Uhrimpuls die Hauptspeicherzelle zur Weitergabe der Information zeitweise mit einer Zwischenspeicherzelle verbindet.

Bei einem aus solchen Speicherstufen zusammengesetzten dynamischen Schieberegister wird der Kondensator jeder Hauptspeicherzeile mittels eines ersten Uhrimpulses auf eine bestimmte Spannung aufgeladen. Die Hauptspeicherzelle wird dann Über einen parallel geschalteten Schalter, dessen Leitungszustand durch das Eingangssignal bestimmt wird, entladen oder bleibt geladen. Nach der Zuführung des Eingangssignals wird ein weiteres Schaltglied leitend gemacht, um die Ladung von der Hauptspeicherzelle

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auf eine Zwxsclienspeicherzelle, welche den Eingang der nächsten Registerstufe bildet, zu übertragen. Diese Zwischenspeicherzelle besteht vorzugsweise aus der Eingangskapazität des betreffenden Schaltgliedes.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind

Fig. 1 ein Schaltbild der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung der aam Betrieb der Anordnung nach Fig. 1 benötigten Uhrimpulse;

Fig. 3 ein Schaltbild der zweiten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 4 eine Darstellung der zum Betrieb der Anordnung nach Fig. 3 benötigten Uhrimpulse.

Bei-de Ausführungsbeispiele sind in Form integrierter MOS-Kreise mit positiver Saumladung im p-Kanal ausgeführt. Es können aber genauso gut Halbleiteranordnungen mit negativer Raumladung im p-Kanal oder mit negativer oder positiver Raumladung im η-Kanal verwendet werden.

Die Hauptelemente der einzelnen Stufen des in Fig. ι dargestellte: Schieberegisters sind MOS-Feldeffekt-Transistoren mit isolierter Steuerelektrode. Alle Stufen des Schieberegisters sind identisch

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und arbeiten in gleicher Weise, so daß die gleichen Bezugszeichen für entsprechende Elemente der einzelnen Stufen verwendet werden..

Zur Einleitung des Betriebs des Schiebeegisters nach Fig. 1 wird ein Transistor TO, der durch Verbindung seiner Steuerelektrode mit seiner Abflußelektrode als Ladewiderstaiid geschaltet ist, durch Anlegung eines negativen Potentials (PulsjA, Fig. 2) an die Eingangsklemme A leitend gemacht. Infolgedessen lädt sich der Hauptspeicherkondensator 11 über eine Anschlußklemme 14, die eine Belegung des Kondensators mit der Zuflußelektrode des Transistors 10 verbindet, auf dieses negative Potential auf.

Nach der Aufladung des Kondensators 11, die der Impulsdauer von der Zeit ^ bis t_g (Fig. 2) entspricht, steigt das Potential A wieder auf Erdpotential, wodurch der Transistor 10 gesperrt wird. Der Kondensator 11 hält also die Ladung, die er in der Öffnungszeit des Transistors 10 erreicht hat. Zwei weitere Transistoren 12 und 13 sind in Reihe zwischen Erde und den Anschluß 14 geschaltet, um einen Entladungsweg für den Kondensator 11 zu bilden. Im Zeitpunkt t_g wird ein negativer Impuls auf die Klemme B gegeben, wodurch der Transistor 12 leitend wird, Gleichseitig gelangt ein Eingangssignal auf die Steuerelektrode des Transistors 13. Hat dieses Eingangssignal ebenfalls negatives Vorzeichen, so werden die Transistoren 12 unä 13

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beide zugleich leitend und der Kondensator 11 entlädt sich über die Hauptstrompfade der Transistoren 12'und 13 nahezu auf Erdpotential. "

Die auf die Steuerelektrode des Transistors 13 gegebenen Eingangssignale sind jedoch binäre Signale, die entweder Erdpotential oder ein negatives Potential annehmen können. Wird nun ein Signal, das sich ganz oder nahezu auf Erdpotential befindet, auf die Steuerelektrode des Transistors 13 gegeben, so wird dieser nicht geöffnet, während der Transistor 12 durch den Impuls B geöffnet ist. Infolgedessen kann sich der Kondensator 11 nicht entladen, weil die Transistoren 10 und 13 gesperrt sind, obwohl der Transistor 12 leitend ist.

Im Zeitpunkt t-(Fig. 2) endet der negative Impuls an der Klemme B. Der Transistor 12 wird wieder gesperrt, wodurch der Eingabezyklus des Schieberegisters beendet wird. Der Kondensator 11 ist nun geladen oder entladen, je nach dem Wert des an den Transistor 13 gelangten binären Eingangssignals.

Im Zeitpunkt t„ wird ein negativer Impuls C auf eine Eingangsklemme C gegeben, die sich normalerweise ganz oder nahezu auf" Erdpotential befindet. Die Eingangsklemme C ist mit der steuerelektrode eines vierten Transistors 15 verbunden, wodurch dieser Transistor zwischen den Zeitpunkten t₃ und t. leitend gemacht wird. Dadurch vird der Kondensator 11 mit einem Kondensator 16 ■

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verbunden. Kondensator 16 besteht aus der verteilten Kapazität in den Verbindungsleitungen zwischen dem · Transistor 15 und dem Transistor 13 der nachfolgenden --·· Stufe, vermehrt um die Kapazität·der isolierten Steuerelektrode des Transistors 13. Der Hauptanteil der Kapazität 16 rührt von der Steuerelektrodenkapazität her. .-"-.."

Wenn der Kondensator 11 mit dem als Zwischenspeicherzelle dienenden Kondensator 16 verbunden wird, wird ein Teil der im Kondensator 11 befindlichen Ladung-auf den Kondensator 16 tibertragen, wo er .zeitweilig gespeichert wird und als Eingangssignal für die nächste Stufe des Schieberegisters dient'.

Im Zeitpunkt t. werden die Transistoren 15 in allen Stufen wieder gesperrt. Dann wird das ganze geschilderte Arbeitsspiel wiederholt, wobei die negativen IJÖrimpulse A,B und C in der gleichen Reihenfolge wie oben an die betreffenden Klemmen angelegt werden. Die der Signaleingangsklemme zugeführten Daten werden dadurch von links nach rechts durch die verschiedenen Stufen des Schieberegisters verschoben.

Wenn ein negatives Eingangssignal auf den Eingangstransistor

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13 der ersten^Registerstufe (ganz links) gegeben wird, befindet sich das (Stil dem Zwischenkondensator . 1 6 am Eingang der nächsten (zweiten) Stufe nahezu auf Erdpotential. Wird dann dieses Erdpotential vom Kondensator 16 am Eingang der zwdten Stufe auf den Ausgang der zweiten Stufe übertragen, so wird das Signal umgekehrt und ein negatives Potential wird im Kondensator 16 am Eingang der dritten Stufe gespeichert. Die verschobene Information erfährt also in jeder Stufe eine Polaritätsumkehrung, während sie das Schieberegister durchwandert. Dies bietet jedoch keine Schwierigkeiten, da die Ausgangskreise der einzelnen Stufen so ausgelegt werden können, daß sie die Polarität des Ausgangssignals berücksichtigen." Stattdessen kann auch die Anzahl der Stufen des Registers so gewählt werden, daß das am Ende des Registers auftretende Ausgangssignal die gleiche Polarität wie das Eingangssignal hat.

Die Zeitkonstante RC für die Entladung des Zwischenkondensators 16 bildet die untere Frequenzgrenze für den Teil des Arbeitszyklus zwischen der Beendigung/des Uhr-

? impulses C und dem Beginn der nächsten Impulse auf den j Eingangsleitungen A und B. Andererseits bildet die Zeitkonstante für die Entladung des Kondensators 11 den begrenzenden Faktor für das Intervall zwischen Beendigung eines]jlfii?impulses B und dem Beginn des nächsten C, durch den die Information vom Hauptspeicher- ,

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kondensator 11 auf den Zwischenspeiciierkondensator 16. übertragen wird. Die Speicherzeit der Kondensatoren 11 und 16 ist die Zeitkonstante, die zur Entladung dieser Kondensatoren benötigt wird, wenn alle Transistoren der betreffenden Stufe gesperrt sind. Wenn ein nieder-■ frequenter Betrieb erwünscht ist, können die Einsatzzeiten derlitrimpulse so eingestellt werden, daß eine Verzögerung zwischen der Beendigung des Impulses B und dem Beginn des Impulses C eintritt, oder daß eine

Verzögerung zwischen der Beendigung des^mlses C und dem Beginn der/nächsten Impulse A und B eingehalten wird. Auch braucht der Impuls B nicht unmittelbar auf die Beendigung des Impulses A zu folgen, wobei jedoch der Impuls B, der den Transistor 12 öffnet, innerhalb eines Zeitintervalls eintreffen muß, das geringer als die Zeitkonstante des Kondensators 11 für Entladung bei gesperrten Transistoren ist. So kann durch die Einführung von Verzögerungen zwischen den einzelnen Impulsen in der geschilderten Weise das Schieberegister mit sehr niedriger Frequenz betrieben werden. Für einen Betrieb mit höherer Frequenz ist es selbstverständlich nicht erforderlich, solche Verzögerungen einzuführen.

Die Impulse an den Klemmen A und B können auch gleichzeitig auftreten, so daß nur ein zweiphasiger tihrpuls statt des dreiphasigen Uhrpulses in Fig. 1 benötigt wird.

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ORIGINAL INSPEGTED

Wenn der Impuls B gleichzeitig mit dem Impuls A beginnt, muß allerdings sichergestellt werden, daß die Signaleingabe noch während des Impulses B vorgenommen wird. Wenn also das Eingangssignal ganz oder nahezu Erdpotential aufweist, so daß der Transistor 13 gesperrt bleibt, wird der Kondensator 11 auf ein negatives Potential aufgeladen und bleibt nach Beendigung des Impulses A auf dieses Potential aufgeladen. Ist dagegen das auf den Transistor 13 gegebene Eingangssignal negativ, so kann sich der Kondensator 11 nicht auf ein negatives Potential aufladen, weil der Ladestrom sofort über die leitend gemachten Transistoren 12 und 13 zur Erde abfließen kann und somit der Anschluß 14 ständig praktisch auf Erdpotential liegt. Wenn also die Impulse an den Klemmen A und B aufhören, ist der Kondensator 11 je nach dem Zustand des Eingangssignals geladen oder entladen, wie es bei dem vorher beschriebenen dreiphasigen Ihrpuls der Fall war. Der Impuls an der Klemme G muß auch in diesem Falle nach Beendigung der Impulse an den Klemmen A und B auftreten, damit die Information vom Konfensator 11 auf den Kondensator 16 übertragen werden kann* Diese Steuerelektrodenkapazität in jeder Stufe liefert dann das Eingangssignal für die nächstfolgende Stufe des Registers.

In ^ig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das mit nur drei Transistoren je Stufe des Schieberegisters statt der im Ausführungsbeispiel

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nach Fig. 1 benötigten vier Transistoren auskömmt. Die Elemente des Registers in Fig. 3 sind vergleichbar mit entsprechenden Elementen des Ausfuhrungsbeispiels nach Fig. 1 und sind deshalb mit Ziffern versehen, die sich. von den Bezugsziffern der entsprechenden Elemente in Fig.

I jeweils um 10 unterscheiden. Der Transistor 22 entsprich/t

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also dem Transistor f=©,der Kondensator 21 dem Kondensator

I1 usw. Der Hauptspeicherkondensator 21 jeder Stufe ist hier nicht geerdet, sondern seine freie Belegung ist mit einer Eingangsklemme D verbunden, die mit einem negativen Puls D (Fig. 4) gespeist wird. Die andere Belegung des Kondensators 21 ist über eine Anschlußstelle 24 in Eeihe mit den Hauptstrombahnen zweier Transistoren 22 und 23 verbunden₈ wobei die Zuflußelektrode des Transistors 23 geerdet ist«

im Zeitpunkt t (Fig. 4) wird ein negativer Impuls auf die Klemme D der Schaltung nach Fig. 3 gegeben, wodurch ein negativer Spannungssprung über den Kondensator 21 Wechsel stroromäßig auf die Anschlußjifs teile 24 tibertragen wird» Im Zeitpunkt t_ wird ein negativer Impuls auf die Klemme E an der Steuerelektrode des Transistors 22 gegeben, Während des Leitungsintervalls dieses Transistors 22 wird ein Inforraationssignal auJ? die Steuerelektrode des Transistors 23 gegeben. Das Eingangssignal für die erste Stufe wird von einer entsprechenden äußeren Impulsquelle-gewonnen, während die

Eingangssignale für die nachfolgenden Stufen in den Eingangskapazitäten 26 der betreffenden Stufen des Schieberegisters gespeichert sind. Ist das Eingangssignal negativ, so wird der Transistor 23 dieser Stufe leitend gemacht^ und die Anschlußstelle 24 entlädt sich über die leitenden Transistoren 22 und 23 nahezu auf Erdpotential,

Ist dagegen das Eingangssignal am Transistor 23 ganz oder nahezu gleich dem Erdpotential, so verbleibt das negative Potential an der Anschlußstelle 24 des Kondensators 21 auch noch zu dem Zeitpunkt t„, in welchem der Eingangsimpuls an der Klemme E aufhört. Das negative Potential an der Anschlußstelle 24 des Kondensators bleibt also während eines bestimmten Zeitintervalls bestehen, das durch die Zeitkonstante des Kreises bestimmt wird, über den die Kondensatorladung allmählich abfließt.

Das negativöEingangspotential bleibt an der Klemme D liegen und nach Beendigung des Impulses E im Zeitpunkt t_ wird ein Schaltimpuls^auf die Klemme F gegeben, die mit der Steuerelektrode eines Schalttransistors verbunden ist. Dadurch wird der Transistor 25 leitend und legt den Kondensator 21 in Reihe mit der Steuerelektrodenkapazität 26 am Eingang des Transistors

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23 für die nächste Stufe. Die am, Anschluß 24 des Kondensators 21 vorhandene Laepe? wird dadurch auf die Eingangskapazität gegeben, d.h. das Signal wird um eine Stelle nach rechts verschoben.

Wenn das Eingangssignal einen solchen Wert hat, daß der Transistor 23 gleichzeitig mildem Transistor 22 leitend wird, wird die Anschlußstelle 24 unmittelbar mit Erde verbunden und ist somit ganz oder nahezu auf Erdpotential, wenn der Impuls E aufhört und den Transistor 22 sperrt. Da der Kondensator 21 nur wechselstrommäßig gekoppelt ist, bleibt dieses Erdpctential an der Anschlußstelle 24 während der Zeit, in welcher der Transistor 25 leitend gemacht wird, um die Information vom Kondensator 21 auf die Kapazität 26 zu tibertragen. Wenn also das Eingangssignal negativ ist und damit den Transistor 23 leitend macht, wird ein Erdpotential auf den Zwischenspeicherkondensator 26 gegeben; wenn dagegen das Eingangssignal auf Erdpotential liegt, wodurch der Transistor 23 gesperrt wird, wird ein negatives Potential vom Kondensator 21 auf den Zwischenspeicherkondensator 26 tibertragen, sobald der Uebertragungstransistor 23 durch den negativen Impuls an der Klemme F geöffnet wird.

Im Zeitpunkt t₄ (Fig. 4) sind die Impulse an den Klemmen D

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und F beendet und die Potentiale an beiden Klemmen steigen auf Erdpotential an» Der Impuls D darf nicht vor dem Aufhören des Impulses F aufhören, weil der beim Aufhören des Impulses D auftretende positive Spannungssprung am Kondensator 21 infolge der Wechselstromkopplung ein vorheriges negatives Potential an der Anschlußstelle 24 löschen würde. Somit muß der negative Impuls D gleichzeitig mit oder nach dem Impuls F aufhören, um die Informationsübertragung vom Kondensator 21 zum Kondensator 26 zu vervollständigen. Wenn beim Aufhören des Impulses D eine dem Erdpotential nahekommende Spannung im Kondensator 21 gespeichert ist, besteht wegen der Wechselstromkopplung des Kondensators 21 die Tendenz, daß eine positive Spannungsspitze an der Anschlußstelle 24 auftritt. Diese Spannungsspitze könnte so groß sein, daß sie den Transistor 25 in Durchlaßrichtung vorspannt, so daß derselbe leitend wird und damit die vorher zum Hilfsspeicherkondensator 26 übertragene nutzbare Information zerstört. Im Betrieb wird aber diese positive Spannungsspitze schon nahe dem Erdpotential durch die in Durchlaßrichtung vorgespannten pn-übergänge abgefangen, die zwischen den Hauptelektroden der Traneistoren 25 und 22 und dem Substrat derselben bestehen« Deshalb wird der Transistor 25 durch diese

nicht in Durchlaßrichtung vorgespannt.

im Betritt der Schaltung nach Fig. ι kann auch hier der negative Impul* an der Klemme E mit d=m ersten Teil

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des negativen Impulses an der Klemme D zusammenfallen. Palls dafür gesorgt wird, daß die Signaleingabe während des Auftretens des Impulses E durchgeführt wird, arbeitet die Schaltung dann in der gleichen Weise wie oben beschrieben, Wenn dann im Zeitpunkt T„ .der negative Impuls P beendet ist, kann ein neuer Arbeitszyklus beginnen, indem ein negativer Impuls auf die Klemmen D und E gegeben wird.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 3 ist also ähnlich wie diejenige nach Fig. 1, aber es ist bei Fig. 3 kein Ladewiderstand in Form eines Transistors 10 erforderlich, um die Kondensatoren 21 zu Beginn jedes Arbeitszyklus aufzuladen»

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von MOS-FeIdeffekttransistören beschränkt, sondern kann auch mit anderen, ähnlich wirkenden Sehaltelementen verwirklicht werden.

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Claims

finite·«·" ■ T München, den . *,««■ T 305 -Dr.Hk/P Teletype Corporation in Skokie, Illinois, V.St.A. Patentansprüche

1. Informationsspeicherstufe für ein Schieberegister mit einem Kondensator als Hauptspeieherζeile, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung der Hauptspeicherzelle (11,21) durch zwei tfirimpulse (A,B; D₁E) gemäß einem Informationssignal gesteuert wird und daß ein Schaltglied (15,25) unter Steuerung durch einen weiteren Uhrimpuls (C,F) die Hauptspeicherzelle zur Weitergabe der Information zeitweise mit einer Zwischenspeicherζeile (16,26) verbindet.

2. Informationsspeicherstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Ladung der Hauptspeicherzelle ein von einem Urimpuls (B) gesteuerter elektronischer Schalter (12,22) und ein vom Informationssignal gesteuerter elektronischer Schalter (13,25) in Reihe geschaltet sind.

3. Informationsspeicherstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß/die Zwischen speicher ζ eile im wesentlichen

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von der Steuerelektrodenkapazität (16,26) eines Feldeffekttransistors (13t23) mit isolierter Steuerelektrode, gebildet wird.

4. Informationsspeicherstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied aus einem elektronischen Schalter (i5,25) besteht.

5. Informationsspeicherstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Speicherung binärer Informationssignale, dadurch gekennzeichnet, daß jein Oirimpuls (A,d) unmittelbar der HauptSpeicherzelle .(11,21-) zwecks Aufladung derselben zugeführt wird und daß der zweite elektronische Schalter (13,23) so ausg&ildet ist, daß er durch Informationssignale einer Art leitend gemacht· wird, so- daß "die Hauptspeicherzelle entladen kann, dagegen durch Informationssignale der anderen Art gesperrt wird, so daß die Hauptspeicherzelle sich nicht entlädt.

6. Informationsspeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter und/oder das Schaltglied aus Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode ausgebildet sind,

7. Informationsspeicherzelle nach Anspruch^, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer elektronischer Schalter

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(22), gesteuert durch einen Hrimpuls (E), in Reihe mit dem vom Informationssignal gesteuerten Schalter

(23) liegt, um das Zeitintervall zu steuern, in
welchem die Hauptspeicherzelle sich entladen kann.

8. Informationsspeicherstufe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tfadmpulse (E) zur Oeffnung des weiteren elektronischen Schalters (22) mit den !^impulsen (D) zur Aufladung des Kondensators zeitlich zusammenfallen.

9. Iriformationsspeicherstuf e nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die tlrimpulse (E) zur Oeffnung der weiteren Schaltvorrichtung (22) nach den zur
Aufladung des Kondensators angelegten Urimpulsen
(D) und vor den Betätigungsimpulsen (F) für das
Schaltglied (25) auftreten.

1O. Schieberegister, bestehend aus einer Kettenschaltung von Informationsspeicherstufen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der im Entladekreis des Hauptspeicherkondensators
(11,21) jeder Speicherstufe liegende elektronische Schalter (.13*23) den Eingangstransistor der nachfolgenden Stufe darstellt.

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11. Schieberegister nach Anspruch 10., dadurch gekennzeichnet, daß die Zwisehenspeicherζeile (16,26) jeder Speicherstufe von der Eingang slcapazi tat der nachfolgenden Speicherstufe gebildet wird.

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