DE1959819A1 - Viertaktgenerator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Viertaktgenerator i'iir den Betrieb, dynamischer, mit sich wiederholenden Taktimpulsen betriebener logischer Schaltungen.

Es sind bereits logische Schaltungen und Speicherelemente bekannt geworden, die mit Taktimpulsen betrieben werden.' So ist beispielsweise eine bistabiele Kippstufe vorgeschla- ä gen worden, deren einmal eingeschriebene Information durch den Taktbetrieb mit 4 zeitlich gegeneinander versetzten Impulsen ständig erneuert wird. Kippstufen und logische Verknüpfungen, die mit Taktimpulsen betrieben werden, sind meist mit MOS-Feldeffekttransistoren aufgebaut.

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MOS-Feldeffekttransistoren bestehen im allgemeinen aus einem Halbleiterkörper vom 1«, Leitungstyp, in den von einer Oberflächenseite aus in bestimmtem Abstand voneinander Zonen vom 2. Leitungstyp eingelassen sind. Der Oberflächenbereich vom 1. Leitungstyp zwischen den zwei genannten Zonen ist mit einer Isolierschicht bedeckt, auf der die Steuerelektrode angeordnet ist. An jeder dear beiden Zonen vom 2. Leitungstyp ist eine Hauptelektrode angeschlossen, die vielfach auch als "Drain"- bzw. "Sourceelektrode" bezeichnet werden. MOS-Transistoren bestehen meist aus einkristallinem Silizium während das zwischen der Steuerelektrode und der Halbleiteroberfläche befindliche Isoliermaterial meist aus Siliziumdioxyd besteht.

Für den Betrieb einer Kippstufe oder anderer logischer Verknüpfungen wird vielfach die in der Figur 1 dargestellte Impulsfolge der Impulse„0 bis 0, benötigt. Die Phasentaktimpulse 0_Λ und 0_O bzw. 0 und 0,_t, die im allgemeinen zum Laden und Entladen kapazitiver Bauelemente dienen, beginnen jeweils zu gleichen Zeitpunkten, wobei die Impulsdauer von 0 und 0. jedoch größer ist als die der Impulse 0 und 0 .

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Die erforderlichen Taktimpulse werden bisher außerhalb der mit den Impulsen zu betreibenden Schaltung erzeugt und extern an die Schaltung herangeführt. Bei integrierten Festkörperschaltungen bedeutet dies, daß jedes mit einer anzusteuernden Schaltung versehene Halbleiterplättchen zusätzliche Leitungen für den Anschluß der Taktimpulse aufweisen muß. Entsprechend führen ir. das Gehäuse, das die integrierte Festkörperschaltung. enthält, allein für den Taktbetrieb k Zuleitungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Zahl der Taktleitungen zu reduzieren und die Möglichkeit zu schaffen, einen Teil der erforderlichen Taktimpulse in einem mit der zu betreibenden Schaltung integrierten Generatorteil zu erzeugen.

Diese. Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der gesteuerte Strompfad eines Feldeffekttransistors (Q ) mit einem weiteren nichtlinearen Schaltelement (Q₀, bzw. D) derart in Reihe geschaltet und betrieben ist, daß beim Anlegen eines ersten Eingangsimpulses an eine freie Elektrode (l, 2 bzw» 3) des nichtlinearen Schaltelementes (Q_

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bzwo D) die dem Feldeffekttransistor zugeordnete Aus-

> gangskapazität (C) über das nichtlineare Schaltelement aufgeladen wird, während diese Kapazität beim Auftreten eines zweiten, zeitlich gegen den ersten Impuls verschobenen Eingangsimpulses an der Steuerelektrode (k) des Feldeffekttransistors entladen wird, so daß an der Verbindung zwi-

• sehen den beiden Bauelementen ein dritter Impuls auftritt, ■

der mit einem der Eingangsimpulse (0 bzw, 0_O) einsetzt und mit Beginn des anderen nachfolgenden Eingangsimpulses (0 bzw» 0 ·) endet, während ein vierter, gegen den dritten Impuls zeitlich verschobener Taktimpuls durch Vertauschen der beiden Eingangsimpulse (0 und 0 ) gegenüber der bei der Erzeugung des dritten Impulsen gewühlten Betriebsweise an den jeweiligen Eingangselektroden einer zweiten gleichartigen, aus einem weiteren Feldeffekttransistor (Q.,) und einem nichtlinearen Schaltelement (Q, , bzw» D₀) bestehenden Schaltung erzeugt wird«

Die erfindungsgemäße Schaltung benötigt zwei Eingangsleitungen für zwei zeitlich gegeneinander versetzte Taktimpulse, während der Ausgang der Schaltung aus k Leitungen besteht, über die die in der Figur 1 dargestellte Impuls-

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folge abgegeben -wird«, Da der erfindungsgemäße Viertaktgenerator aus leicht in einen Festkörper integrierbaren Bauelementen beisteht, kann der Taktgenerator ohne technologische Schwierigkeiten mit in die zu betreibende Schaltung einbezogen werden, so daß die Zahl der Zuleitungen reduziert und der Aufbau der Gesamtschaltung vereinfacht und verbilligt werden kann. fl

Der Feldeffekttransistor der Taktschaltung ist vorzugsweise ein MOS-Feldeffekttransistor mit vom Halbleiterkörper isolierter Steuerelektrode. Auch, das nichtlineare Schaltelement wird, um einen einfachen Aufbau der Schaltung zu gewährleisten, in einer vorteilhaften Ausführung aus einem MOS-Feldeffekttransistor bestehen- Die Steuerelektrode dieses zweiten Feldeffekttransistors ist dann, vorzugsweise mit der freien Hauptelektrode des gleichen ^

Feldeffekttransistors kurzgeschlossen»

Das nichtlineare Schaltelement kann jedoch auch in einer besonders vorteilhaften und 'infachen Ausführungsform von einer Diode gebildet werden, die so mit dem gesteuerten Strompfad des Feldeffekttransistors in Reihe geschalt

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tet vrird, daß die Diode beim Auftreten eines Impulsesan der freien Elektrode der Diode leitend ist« Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß die dem Feldeffekttransistor zugehörige Kapazität rasch über die Diode aufgeladen wirdo

Der Viertaktgenerator wird im weiteren anhand der Figuren 2 bis 5 noch näher erläutert.

In der Figur 2 ist schematisch ein Halbleiterplättchen 7 dargestellt, das aus zwei Teilen 8 und 11 besteht„ Der Teil 8 enthält die zu betreibende logische Schaltung, beispielsweise eine Kippstufe, wobei die Bauelemente und die Zuleitungen zu dieser Kippstufe nicht dargestellt sind. Diese logische Schaltung wird mit den aus den Generatorteil 11 herausführenden Impulsen 0 bis 0. betrieben» Zur Erzeugung der Impulse 0_p und 0, dient der Generatorteil Ho In diesen Generatprteil führen zwei Zuleitungen für die erforderlichen Eingangsimpulse 0 und 0_. Mit Hilfe einer ersten Schaltung 10 wird der Impuls 0_O gewonnen, während eine zweite Schaltung 9 zur Erzeugung des Impulses 0. herangezogen wird,,

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In den Figuren 3 und k ist dargestellt, wie die Schaltungsteile 10 und 9 realisiert werden können. Die Schaltung der Figuren 3a besteht aus zv. ·■ I MOS-Transistoren Q und Qj deren gesteuerte Strompfade in Reihe geschaltet sind« Der MOS-Feldeffekttransistor Q besitzt eine Kapazität C, die sich aus der Ausgangskapazität der in der Figur 3a dargestellten Schaltungsstufe, aus der Verbindungskapazität und aus Λ der Eingangskapazität der nachfolgenden Stufen zusammensetzt. Die Steuerelektrode Γ des MOS-Feldeffekttransistors Q_p ist mit der noch freien Hauptelektrode 2 dieses.Feldeffekttransistors kurzgegeschlossen. Die freien Hauptelektroden 2 und 6 der beiden in Reihe geschalteten MOS-Transistoren Q und Q sind im allgemeinen miteinander verbunden» Die Schaltung 10, mit der der Impuls 0 erzeugt wird, funktioniert wie folgt?

Beim Anlegen des Impulses 0 an die Hauptelektrode des Transistors Q und damit zugleich an dessen Steuerelektrode 1 wird der Transistor Q leitend und die Kapazität C somit über diesen Transistor nahezu auf die Spannung des Tnktimpulses 0 aufgeladen» Nachdem der Impuls 0 zu Ende ist, bleibt das Potential an der Kapazität C erhalten, da

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beide MCKj-Transist or en Q und Q gesperrt sind« An beiden Steuerelektroden 1 und k der beiden MOS-Transistoren liegt das Potential 0 an. Beim Auftreten des Impulses 0„ an der Steuerelektrode k des Transistors Q wird dieser leitend, so daß sich die Kapazität C mit einer bestimmten Zeitkonstanten über den Transistor Q entlädt. Somit tritt an der Kapazität C und damit an der Verbindungselektrode 5 zwischen den beiden Bauelementen ein Impuls auf, der mit dem Impuls 0 beginnt und mit dem Anfang des Impulses 0 endet. Dieser Ausgangsimpuls entspricht dem in den Figuren 1 und 3b dargestellten und für den Betrieb einer logischen Schaltung erforderlichen Impuls 0 ,

Der Impuls 0. wird g-emäß Figur ka mit einer Schaltung 9 gewonnen, die mit der in der Figur 3a dargestellten Schaltung identisch ist= Auch diese Schaltung besteht wieder aus zwei in Reihe geschalteten MOS-Feldeffekttransistoren Q„ und Q., wobei dem Feldeffekttransistor Q die Kapazität C zugeordnet ist. Ein Unterschied besteht zu der Schaltung nach Figur "}a nur in der. Betriebsweise, wobei nunmehr die beiden Eingangsimpulse gegenüber der bei der Erzeugung des Impulses 0 erforderlichen Betriebsweise an den jeweiligen Eingangselektroden vertauscht werden. Der Impuls 0 wird daher an die Hauptelektrode 2. des Transistors Q₁

und somit auch an dessen Steuerelektrode 1 angelegt. Die

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Kapazität C kann somit erst mit dem Beginn des Impuls.es 0_ über den Transistor Q, aufgeladen werden und entlädt

sich dann wieder, wenn an der Steuerelektrode 4 des Transistors der Eingangsimpuls Q auftritt, durch den der Transistor Q leitend wird, und somit einen Entladestrom-

pfad für die Kapazität C bildet.

Auf diese Weise entsteht der in der Figur 4b dargestellte ^

ImPi¹Ls 0_t an der Verbindungselektrode 5 zwischen den beiden Bauelementen Q„ und Q^ , der mit dem Irnpul.-· 0 einsetzt und mit dem Beginn des Impulses 0 endet.

In den Figuren 5& und 5b sind Schaltungen dargestellt, die den in der Figur 3a und 4a dargestellten Schaltungen in ihrer Wirkungsweise äquivalent sind. Bei den Schaltungen nach der Figur 5 wurden die Transistoren Q und

Q. aus den Schaltungen der Figuren 3a und 4a durch Dioden A

I) bzw. D_n ersetzt. Die Diode ist so in Reihe zu dem gesteuerten Strompfad des Feldeffekttransistors Q bzw. Q geschciltet, daß beim Auftreten nines Impulses an der freien Elektrode der Diode 3 bzw. 3 diese Diode leitend wird. Tritt daher an der Elektrode 3 ein durch ein negatives Potential U/ gekennzeichneter Impuls 0 auf, so

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lädt sich die Kapazität C über die Diode D auf das um die Durchlaßspannung der Diode reduzierte Impulspotential auf. Mit dem Ende des Impulses 0 geht die .Diode wieder in den sperrenden Zustand über. Da auch der Transistor Q. gesperrt bleibt, kann sich der Kondensator C nicht mehr entladen. Eine Entlademöglichkeit ist erst dann wieder gegeben, wenn an der Eingangselektrode 4 des MOS-Transistors Q ein Eingangsimpuls 0 auftritt, durch den dieser Transistor Q leitend wird. In diesem Fall entlädt sich die Kapazität C über den MOS-Feldeffekttransistor Q . An der Verbindungselektrode 5 zwischen der Diode und dem MOS-Feldef f ekttransistor kann somit ein Impuls 0 der in der Figur 3t> dargestellten Form entnommen werden. Entsprechendes gilt für die Erzeugung des Impulses 0. mit einer identisch aus der Diode D und dem MOS-Feldeffekttransistor Q bestehenden Schaltung. Auch hier erfolgt eine Vertauschung der Impulse 0 und 0 , so daß die Kapazität

C mit Beginn des Impulses 0 aufgeladen und mit dem Be-

ginn des Impulses 0 an der Steuerelektrode ¹I des Transistors Q„ wieder entladen wird. Bei einer solchen Betriebsweise der in der Figur 5 rechts dargestellten Schaltung erhält man den Impuls 0_t gemäß Figur ^b. Die Diode

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D bzw. D kann auch durch ein anderes nichtlineares 1 £

Schaltelement, beispielsweise durch einen bipolaren

Transistor, ersetzt werden.

Bei dem erfindungssemäßen Viertaktgenerator ist wesentlich, daß der Generator nunmehr mit integi .rten logischen Verknüpfungen, die mit Taktimpulsen betrieben werden sollen, Λ in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert werden kann. Dieser Generator weist dann zwei Eingangsleitungen für die Eingangsimpulse 0 und 0„ .und k Ausgangsleitungen für die Eingangs- und die Ausgangsimpulse 0 , 0 , 0 und

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0. auf. Die integrierten logischen Verknüpfungen bestehen dann vorzugsweise gleichfalls aus MOS-Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode, die im Bedarfsfall selbstverständlich mit anderen herkömmlichen Bauelementen kommbiniert werden können.

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Claims (7)

1. Pa ten t an s ρ r ü c h β

   /Viert ale t gen ei~a tor ..ür den Betrieb dynamischer, mit sich ^P wiederholenden Taktimpulsen betriebener logischer Schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Strompfad eines Feldeffektransistors (Q ) mit einem weiteren nichtlinearen Schaltelement (Q 'bzw. D) derart in Reihe geschaltet und betrieben ist, daß beim Anlegen eines ersten Eingangsimpulses an eine freie Elektrode (l, 2 bzw. 3) des nichtlinearen Schaltelements (Q bzw. D) die dem Feldeffekttransistor zugeordnete Ausgangskapazität (C) über das nichtlineare Schaltelement aufgeladen _Ä wird, während diese Kapazität beim Auftreten eines zweiten, zeitlich gegen den ersten Impuls verschobenen Eingangsimpulses an der Steuerelektrode (k) des Feldeffekttransistors entladen wird, so daß an der Verbindung zwischen den beiden Bauelementen ein dritter Impuls auftritt, der mit einem der Eingangsimpulse (0 , 0 ) einsetzt und mit Beginn des anderen nachfolgenden Eingangs-

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   impulses (0„, 0. ) endet, während ein vierter, gegen den dritten Impuls zeitlich verschobener Taktimpuls durch Vertauschen der beiden Eingangsimpulse (0 , 0 ) gegenüber der bei der Erzeugung des dritten Impulses gewählten Betriebsweise an den jeweiligen Eingangselektroden einer ' zweiten gleichartigen, aus einem weiteren Feldeffekttransistor (Q ) und einem nichtlinearen Schaltelement ™ (Q,, bzw. D_n) bestehenden Schaltung erzeugt wird.
2. 2) Viertaktgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-. net, daß der Feldeffekttransistor (Q , Q.) ein MOS-FeIdeffekttransistor mit vom Halbleiterkörper Isolierter Steuerelektrode (k) ist.
3. 3) Viertaktgenerator ntich Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare" Schaltelement (Q_p, Q^) ein MOS- Λ Feldeffekttransistor mit vom Halbleiterkörper isolierter Steuerelektrode (l) ist, und daß die Steuerelektrode (l) mit der freien Hauptelektrode (2) des Feldeffekttransistors (Q₉I Q/') kurzgeschlossen ist«

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4. 4) Viertaktgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Schaltelement (D , D) eine Diode ist, die so mit dem gesteuerten Strompfad des Feldeffekttransistors (Q,,., Q„) in Reihe geschaltet ist, daß die Diode beim Auftreten eines Impulses an der freien Elektrode (3) der Diode leitend ist.
5. 5) Viertaktgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Feldeffekttransistor zugeordnete Aus-.· gangskapazität (C) aus der Ausgangskapazität des Transistors, der Verbindungskapazität und der Eingangskapazität der nächstfolgenden Stufe besteht.
6. 6) Viertaktgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator mit integrierten logischen Verknüpfungen, die mit Taktimpulsen betrieben werden, in einem gemeinsamen HalbleitervLcörper untergebracht ist, und daß dieser Generator zwei Eingangsleitungen für die Eingangsimpulse (0 , 0 ) und vier Ausgangsleitungen für diu Ausgangsimpulse (0., 0₂, 0 , 0_ijt) aufweist.
7. 7) Viertaktgeneraotr nach Anspruch 6_S dadurch gekennzeichnet, daß die logischen Verknüpfungen gleichfalls mit MOS-PeId-

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   effekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode aufgebaut sind.

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