DE19749521C2

DE19749521C2 - Bistabile Kippstufe

Info

Publication number: DE19749521C2
Application number: DE19749521A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Waible
Original assignee: Temic Semiconductor GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1997-11-08
Filing date: 1997-11-08
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2017-11-09
Also published as: JPH11330924A; DE19749521A1; US6154077A

Description

Die Erfindung betrifft eine bistabile Kippstufe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige bistabile Kippstufe ist aus der Druckschrift "IEEE 1993 - Custom Integrated Circuits Conference", Seiten 27.6.1-27.6.4 bekannt. Die dort als dynamisches D-Flip-Flop bezeichnete bistabile Kippstufe weist drei Inverterstufen auf, von denen die erste durch ein Eingangssignal, die zweite durch ein Taktsignal und die dritte durch ein Ausgangssignal der zweiten Inverterstufe angesteuert sind. Die erste Inverterstufe ist dabei durch einen High-Pegel des Eingangssignals, die zweite Inverterstufe durch einen Low- Pegel des Ausgangssignals der ersten Inverterstufe und die dritte Inverterstufe durch einen Low-Pegel des Taktsignals in einen sperrenden Zustand schaltbar, in welchem die Signalpegel an den Ausgängen der jeweiligen Inverterstufe zwischengespeichert werden. Als Ergebnis erhält man am Ausgang der dritten Inverterstufe ein dem invertierten Eingangssignal entsprechendes Ausgangssignal mit zum Taktsignal synchronisierten Signalflanken.

Der wesentliche Nachteil dieser vorbekannten Kippstufe besteht darin, daß sie nicht unabhängig vom Eingangssignal in einen definierten Zustand setzbar ist, d. h. der Signalpegel am Ausgang der dritten Inverterstufe ist nicht unabhängig vom Eingangssignal vorgebbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine bistabile Kippstufe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die innerhalb einer Taktperiode in einen definierten Zustand setzbar ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Wesen der Erfindung besteht demnach darin, durch ein erstes Setzsignal zu verhindern, daß die dritte Inverterstufe in den sperrenden Zustand geschaltet wird, und durch ein zweites Setzsignal die zweite Inverterstufe bei einem bestimmten Signalpegel des Taktsignals, beispielsweise bei einem High-Pegel, in den sperrenden Zustand zu schalten, so daß der vor der Sperrung der zweiten Inverterstufe wirksame Signalpegel des Taktsignals den Signalpegel des Ausgangssignals der zweiten Inverterstufe und, aufgrund der nichtsperrenden dritten Inverterstufe, unmittelbar danach den Signalpegel des Ausgangssignals der dritten Inverterstufe, beispielsweise auf einen Low-Pegel, festlegt. Die Kippstufe ist auf diese Weise innerhalb einer Periode des Taktsignals setzbar.

In einer bevorzugten Weiterbildung läßt sich die zweite Inverterstufe durch ein Rücksetzsignal in einen nichtsperrbaren Zustand schalten. Da das Ausgangssignal der zweiten Inverterstufe und das Taktsignal dann gegenphasige Signale sind, nimmt das Ausgangssignal der dritten Inverterstufe innerhalb einer Periode des Taktsignals den vor der Sperrung der dritten Inverterstufe wirksamen Signalpegel des Taktsignals an.

Die erfindungsgemäße Kippstufe ist aufgrund der linearen Struktur und der geringen Anzahl von benötigten Bauelementen einfach und kostengünstig realisierbar. Zudem weist sie eine geringe Stromaufnahme auf und arbeitet schnell, so daß sie bestens für den Einsatz in Hochfrequenzbausteinen geeignet ist, beispielsweise zur Realisierung schneller Frequenzteiler- oder Zählerbausteine, wie sie üblicherweise in Phasenregelschleifen verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen bistabilen Kippstufe,

Fig. 2 Impulsdiagramme für die Kippstufe aus Fig. 1,

Fig. 3 weitere Impulsdiagramme für die Kippstufe aus Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 weist die Kippstufe insgesamt 12 mit M1 ... M12 bezeichnete Feldeffekttransistoren auf, von denen der erste, der zweite, der vierte und der siebente M1 bzw. M2 bzw. M4 bzw. M7 als PMOS-Transistor und der dritte, der fünfte, der sechste, der achte, der neunte, der zehnte, der elfte und der zwölfte M3 bzw. M5 bzw. M6 bzw. M8 bzw. M9 bzw. M10 bzw. M11 bzw. M12 als NMOS-Transistor ausgeführt sind. Der erste, der zweite und der dritte Feldeffekttransistor M1, M2, M3 bilden dabei die erste Inverterstufe 1, der vierte, der fünfte, der sechste, der elfte und der zwölfte Feldeffekttransistor M4, M5, M6, M11, M12 die zweite Inverterstufe 2 und der siebente, der achte, der neunte und der zehnte Feldeffekttransistor M7, M8, M9, M10 die dritte Inverterstufe 3.

In der ersten Inverterstufe 1 ist deren Ausgang 10 über die zueinander in Reihe geschalteten Drain-Source-Strecken des ersten und zweiten Feldeffekttransistors M1, M2 mit einem auf einem ersten Versorgungspotential liegenden ersten Versorgungsanschluß VS und über die Drain-Source-Strecke des dritten Feldeffekttransistors M3 mit einem auf einem zweiten Versorgungspotential, beispielsweise auf Massepotential, liegenden zweiten Versorgungsanschluß GND verbunden. In der zweiten Inverterstufe 2 ist deren Ausgang 20 über die Drain-Source-Strecke des vierten Feldeffekttransistors M4 mit dem ersten Versorgungsanschluß VS und über die zueinander in Reihe geschalteten Drain-Source-Strecken des fünften und elften Feldeffekttransistors M5, M11 sowie über die Drain- Source-Strecke des zwölften Feldeffekttransistors M12 mit dem Drainanschluß des sechsten Feldeffekttransistors M6 und über dessen Drain- Source-Strecke mit dem zweiten Versorgungsanschluß GND verbunden. In der dritten Inverterstufe 3 ist deren Ausgang 30 über die Drain-Source- Strecke des siebenten Feldeffekttransistors M7 mit dem ersten Versorgungsanschluß VS und über die Drain-Source-Strecke des achten Feldeffekttransistors M8 sowie über die Drain-Source-Strecke des zwölften Feldeffekttransistors M12 mit dem Drainanschluß des neunten Feldeffekttransistors M9 und über dessen Drain-Source-Strecke mit dem zweiten Versorgungsanschluß GND verbunden.

Ferner sind in den Inverterstufen 1, 2, 3 die Gateanschlüsse zweier Feldeffekttransistoren, und zwar jene des ersten und dritten Feldeffekttransistors M1, M3 bzw. jene des vierten und sechsten Feldeffekttransistors M4, M6 bzw. jene des siebenten und neunten Feldeffekttransistors M7, M9, miteinander zum Signaleingang 11 bzw. 21 bzw. 31 der jeweiligen Inverterstufe 1 bzw. 2 bzw. 3 verbunden. Des weiteren bilden der Gateanschluß des zweiten Feldeffekttransistors M2 einen Steuereingang 12 der ersten Inverterstufe 1, der Gateanschluß des fünften Feldeffekttransistors M5 einen Steuereingang 22 der zweiten Inverterstufe 2, der Gateanschluß des achten Feldeffekttransistors M8 einen Steuereingang 32 der dritten Inverterstufe 3, die Gateanschlüsse des zehnten und elften Feldeffekttransistors M10, M11 zwei gegenphasig angesteuerte Setzeingänge 33 bzw. 23 der Kippstufe und der Gateanschluß des zwölften Feldeffekttransistors M12 einen Rücksetzeingang 24 der Kippstufe.

Der Ausgang 10, an dem die Ausgangsspannung INV1 als Ausgangssignal der ersten Inverterstufe 1 ansteht, ist mit dem Steuereingang 22 verbunden, der Ausgang 20, an dem die Ausgangsspannung INV2 als Ausgangssignal der zweiten Inverterstufe 2 ansteht, mit dem Signaleingang 31 verbunden und der Steuereingang 12, dem das Taktsignal CLK als Steuerspannung zugeführt wird, mit dem Signaleingang 21 und dem Steuereingang 32 verbunden. Der Signaleingang 11 bildet den Eingang der Kippstufe, dem das Eingangssignal D als Eingangsspannung zugeführt wird, und der Ausgang 30 den Ausgang der Kippstufe, an dem das Ausgangssignal QN als Ausgangsspannung bereitgestellt wird. Schließlich wird dem Gateanschluß des zehnten Feldeffekttransistors M10 das erste Setzsignal SET, dem Gateanschluß des elften Feldeffekttransistor M11 das zum ersten Setzsignal SET komplementäre zweite Setzsignal SETN und dem Gateanschluß des zwölften Feldeffekttransistors M12 das Rücksetzsignal RESET zugeführt.

Bei bestimmten Signalpegeln an den Signaleingängen 11, 21, 31 der Inverterstufen 1, 2, 3 lassen sich diese jeweils durch die ihren Steuereingängen 12, 22, 32 zugeführten Steuerspannungen in einen sperrenden Zustand schalten, in welchem die Strompfade zwischen ihren Ausgängen 10 bzw. 20 bzw. 30 und den beiden Versorgungsanschlüssen VS, GND gesperrt sind. Dieses führt dazu, daß die Ladungen aus den Gatekapazitäten der den jeweiligen Ausgängen 10 bzw. 20 bzw. 30 nachgeschalteten Feldeffekttransistoren nicht ausgeräumt werden können, so daß die Signalpegel an diesen Ausgängen 10 bzw. 20 bzw. 30 unverändert bleiben, d. h. zwischengespeichert werden.

Im vorliegenden Beispiel wird die erste Inverterstufe 1 bei einem Low-Pegel des Eingangssignals D durch einen High-Pegel des Taktsignals CLK, die zweite Inverterstufe 2 bei einem High-Pegel des Taktsignals CLK durch einen Low- Pegel des Ausgangssignals INV1 der ersten Inverterstufe 1 und die dritte Inverterstufe 3 bei einem High-Pegel des Ausgangssignals INV2 der zweiten Inverterstufe 2 durch einem Low-Pegel des Taktsignals CLK in den sperrenden Zustand geschaltet. Die Sperrung der zweiten und dritten Inverterstufe 2, 3 läßt sich durch einen High-Pegel des Rücksetzsignals RESET bzw. durch einen High-Pegel des ersten Setzsignals SET unterbinden. Des weiteren wird die erste Inverterstufe 1 bei einem High-Pegel des Eingangssignals D, die zweite Inverterstufe 2 bei einem Low-Pegel des Taktsignals CLK und die dritte Inverterstufe 3 bei einem Low-Pegel des Ausgangssignals INV2 der zweiten Inverterstufe 2 nicht gesperrt. Ferner läßt sich die zweite Inverterstufe 2 bei einem High-Pegel des Taktsignals CLK zusätzlich durch einen Low-Pegel des zweiten Setzsignals SETN in den sperrenden Zustand schalten.

Fig. 2 zeigt die Impulsdiagramme des Eingangssignals D, des Taktsignals CLK, der Setzsignale SET, SETN, des Rücksetzsignals RESET und der Ausgangssignale INV1, INV2, QN für den Fall, daß der zehnte, der elfte und der zwölfte Feldeffekttransistor M10, M11, M12 gesperrt sind, d. h. für den Fall, daß das Rücksetzsignal RESET und das erste Setzsignal SET jeweils einen Low-Pegel und das zweite Setzsignal SETN einen High-Pegel aufweisen. In diesem Fall bewirkt eine Pegeländerung des Eingangssignals D von Low nach High unmittelbar danach eine High-Low-Pegeländerung des Ausgangssignals INV1 und, sofern das Ausgangssignal INV2 nicht bereits einen High-Pegel aufweist, bei der nächsten High-Low-Signalflanke des Taktsignals CLK eine Low-High-Pegeländerung des Ausgangssignals INV2 sowie bei der nächsten Low-High-Signalflanke des Taktsignals CLK eine Pegeländerung Ausgangssignals QN von High nach Low. Eine Pegeländerung des Eingangssignals D von High nach Low bewirkt hingegen bei einem Low-Pegel des Taktsignals CLK sofort, ansonsten erst bei der nächsten High-Low- Signalflanke des Taktsignals CLK, eine Pegeländerung des Ausgangssignals INV1 von Low nach High und bei der nächsten Low-High-Signalflanke des Taktsignals CLK eine Pegeländerung der Ausgangssignale INV2 bzw. QN von High nach Low bzw. von LOW nach High.

Gemäß Fig. 3 wird das Ausgangssignal QN der Kippstufe durch einen High- Pegel des ersten Setzsignals SET und einen LOW-Pegel des zweiten Setzsignals SETN auf einen LOW-Pegel gesetzt. Durch diese Pegel der Setzsignale SET, SETN wird der zehnte Feldeffekttransistor M10 in den leitenden Zustand und der elfte Feldeffekttransistor M11 in den sperrenden Zustand geschaltet, was zur Folge hat, daß die dritte Inverterstufe 3 nicht mehr gesperrt werden kann und die zweite Inverterstufe bei einem High- Pegel des Taktsignals CLK gesperrt wird. Das Ausgangssignal INV2 nimmt daher beim darauffolgenden Low-Pegel des Taktsignals CLK einen High-Pegel an und setzt unmittelbar danach den Signalpegel des Ausgangssignal QN auf LOW.

Durch den High-Pegel des Rücksetzsignals RESET werden die Drain-Source- Strecken des fünften und elften Feldeffekttransistors M5, M11 über den zwölften Feldeffekttransistor M12 kurzgeschlossen, so daß die zweite Inverterstufe 2 nicht gesperrt werden Kann. Da die dritte Inverterstufe 3 dann nur bei einem High-Pegel des Taktsignals CLK, d. h. bei einem Low- Pegel des Ausgangssignals INV2, leitend ist, wird das Ausgangssignal QN durch diese Maßnahme auf den High-Pegel rückgesetzt.

Um ein sicheres Setzen und Rücksetzen der Kippstufe zu gewährleisten - darunter versteht man das Setzen der Ausgangsspannung auf Low- bzw. Rücksetzen auf High-Pegel -, müssen die Setzsignale SET, SETN bzw. das Rücksetzsignal RESET mindestens für die Zeit einer eine Periode des Taktsignals CLK wirksam sein.

Durch die Wahl geeigneter Kanalbreiten-zu-Kanallängen-Verhältnisse der Feldeffekttransistoren M1 ... M12 läßt sich die Kippstufe hinsichtlich der Erzielung einer hohen Signalverarbeitungsgeschwindigkeit optimieren. Im vorliegenden Beispiel wurden diese Verhältnisse für den ersten Feldeffekttransistor M1 gleich 40, für den zweiten und sechsten Feldeffekttransistor M2, M6 gleich 24, für den dritten Feldeffekttransistor M3 gleich 18, für den siebenten Feldeffekttransistor M7 gleich 50, für den neunten Feldeffekttransistor M9 gleich 32 und für die restlichen gleich 20 gewählt.

Claims

1. Bistabile Kippstufe mit einer durch ein Eingangssignal (D) angesteuerten und durch ein Taktsignal (CLK) in einen sperrenden Zustand schaltbaren ersten Inverterstufe (1), mit einer durch das Taktsignal (CLK) angesteuerten und durch ein Ausgangssignal (INV1) der ersten Inverterstufe (1) in einen sperrenden Zustand schaltbaren zweiten Inverterstufe (2) und mit einer durch ein Ausgangssignal (INV2) der zweiten Inverterstufe (2) angesteuerten und durch das Taktsignal (CLK) in einen sperrenden Zustand schaltbaren dritten Inverterstufe (3), dadurch gekennzeichnet, die dritte Inverterstufe (3) durch ein erstes Setzsignal (SET) in einen nichtsperrbaren Zustand schaltbar ist und die zweite Inverterstufe (2) durch ein zweites Setzsignal (SETN) bei einem bestimmten Signalpegel des Taktsignals (CLK) in den sperrenden Zustand schaltbar ist.

2. Bistabile Kippstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Inverterstufe (2) durch ein Rücksetzsignal (RESET) in einen nichtsperrbaren Zustand schaltbar ist.

3. Bistabile Kippstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Inverterstufe (3) in einem Strompfad zwischen ihrem Ausgang (30) und einem ersten Versorgungsanschluß (VS) einen gateseitig durch das Ausgangssignal (INV2) der zweiten Inverterstufe (2) angesteuerten Feldeffekttransistor (M7) eines ersten Kanaltyps und in einem Strompfad zwischen ihrem Ausgang (30) und einem zweiten Versorgungsanschluß (GND) zwei bzgl. ihren Drain-Source-Strecken in Reihe geschaltete und gateseitig jeweils durch das Taktsignal (CLK) bzw. das Ausgangssignal (INV2) der zweiten Inverterstufe (2) angesteuerte Feldeffekttransistoren (M8, M9) eines zweiten Kanaltyps sowie einen gateseitig durch das erste Setzsignal (SET) angesteuerten weiteren Feldeffekttransistor (M10) des zweiten Kanaltyps mit zur Drain-Source-Strecke des durch das Taktsignal (CLK) angesteuerten Feldeffekttransistors (M8) parallel geschalteter Drain-Source-Strecke aufweist.

4. Bistabile Kippstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Inverterstufe (2) in einem Strompfad zwischen ihrem Ausgang (20) und dem ersten Versorgungsanschluß (VS) einen gateseitig durch das Taktsignal (CLK) angesteuerten Feldeffekttransistor (M4) des ersten Kanaltyps und in einem Strompfad zwischen ihrem Ausgang (20) und dem zweiten Versorgungsanschluß (GND) drei bzgl. ihren Drain-Source-Strecken in Reihe geschaltete und gateseitig jeweils durch das Taktsignal (CLK) bzw. durch das zweite Setzsignal (SETN) bzw. durch das Ausgangssignal (INV1) der ersten Inverterstufe (1) angesteuerte Feldeffekttransistoren (M5, M11, M6) des zweiten Kanaltyps aufweist und daß das zweite Setzsignal (SEIN) ein zum ersten Setzsignal (SET) komplementäres Signal ist.

5. Bistabile Kippstufe nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Inverterstufe (2) einen gateseitig durch das Rücksetzsignal (RESET) angesteuerten weiteren Feldeffekttransistor (M12) des zweiten Kanaltyps mit zur Drain-Source-Strecke des durch das Ausgangssignal (INV1) der ersten Inverterstufe (1) angesteuerten Feldeffekttransistors (M5) parallel geschalteter Drain-Source-Strecke aufweist.

6. Bistabile Kippstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Feldeffekttransistor (M12) der zweiten Inverterstufe (2) bzgl. seiner Drain-Source-Strecke parallel zur den in Reihe geschalteten Drain-Source- Strecken des durch das Ausgangssignal (INV1) der ersten Inverterstufe (1) angesteuerten Feldeffekttransistors (M5) und des durch das zweite Setzsignal (SETN) angesteuerten Feldeffekttransistors (M11) geschaltet ist.

7. Bistabile Kippstufe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Inverterstufe (1) in einem Strompfad zwischen ihrem Ausgang (10) und dem ersten Versorgungsanschluß (VS) zwei bzgl. ihren Drain-Source-Strecken in Reihe geschaltete und gateseitig jeweils durch das Eingangssignal (D) bzw. das Taktsignal (CLK) angesteuerte Feldeffekttransistoren (M1, M2) des ersten Kanaltyps und in einem Strompfad zwischen ihrem Ausgang (10) und dem zweiten Versorgungsanschluß (GND) einen gateseitig durch das Eingangssignal (D) angesteuerten Feldeffekttransistor (M3) des zweiten Kanaltyps aufweist.

8. Bistabile Kippstufe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren (M1 ... M12) als MOS- Transistoren ausgebildet sind.

9. Bistabile Kippstufe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren (M1, M2, M4, M7) des ersten Kanaltyps als PMOS- Transistoren und die Feldeffekttransistoren (M3, M5, M6, M8, M9, M10, M11, M12) des zweiten Kanaltyps als NMOS-Transistoren ausgebildet sind.