DE69407749T2

DE69407749T2 - Schnell entscheidende Kippschaltung

Info

Publication number: DE69407749T2
Application number: DE69407749T
Authority: DE
Inventors: Peter J Meier; Brian C Miller; Gordon W Motley
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1994-02-15
Filing date: 1994-11-03
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2014-11-04
Also published as: JPH07240671A; DE69407749D1; EP0667678A3; US5467038A; EP0667678A2; EP0667678B1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf elektronische Schaltungen und vor allem auf integrierte elektronische Schaltungen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Latchschaltung, die drei Invertiererschaltungen verwendet.

Hintergrund der Erfindung

Latch-Einrichtungen in digitalen schaltungen können auf viele Arten gebildet werden, wobei jedoch eine übliche Art, um ein Latch in integrierten CMOS-schaltungen zu erzeugen, darin besteht, ein Paar von Invertierern zu verwenden, die Rücken an Rücken verbunden sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Wie es die schaltung von Fig. 1 zeigt, gibt ein Steuersignal 106, wenn dasselbe einen hohen Pegel aufweist, einen NFET 108 frei, wobei der NFET 108 ein Datensignal 104 mit dem Eingang eines Invertierers 110 verbindet. Der Invertierer 110 invertiert das an seinem Eingang anliegende Signal, um ein Ausgangssignal 116 zu erzeugen, welches wiederum durch einen Invertierer 112 als ein Rückkopplungssignal invertiert wird, um zu bewirken, daß die Schaltung den letzten Zustand speichert oder latcht. Der Invertierer 110 wird als Vorwärtskopplungsinvertierer und der Invertierer 112 als Rückkopplungsinvertierer bezeichnet.
Damit die Schaltung von Fig. 1 korrekt arbeitet, muß der Rückkopplungsinvertierer 112 ein kleinerer Invertierer sein und folglich ein schwächeres Treiberausgangssignal aufweisen als der Vorwärtskopplungsinvertierer 110. Dies ist notwendig, damit das Datensignal 104 das Eingangssignal 114 übersteuern kann, um den Eingang 114 in den korrekten Zustand zu zwingen, um das Latch von einem Zustand zu einem anderen zu ändern. Falls der Rückkopplungsinvertierer 112 zu schwach ist, kann die Schaltung jedoch instabil sein.
Es gibt zwei wichtige Charakteristika eines solchen Latch, nämlich die verstärkung und die Auflösungszeit. Die Verstärkung bestimmt bekanntlicherweise, wie groß ein Eingangssignal sein muß, um zu bewirken, daß der Invertierer das Eingangssignal invertiert, um ein invertiertes Ausgangssignal zu erzeugen. Die Auflösungszeit τ ist ein Punkt, an welchem das Ausgangssignal einen Wert annimmt, der gleich 63% seines ursprünglichen Wertes ist. Auf τ wirken sich hauptsächlich die verstärkung der Schaltung und die Kapazität der Schaltung aus, wobei gilt: je kleiner die Verstärkung und je größer die Kapazität, umso langsamer wird die Schaltung auflösen. Die Verstärkung kann verbessert werden, indem eine größere Stärke in die Rückkopplungsschleife eingebracht wird. Bei einem gewissen Punkt wird jedoch der Rückkopplungsinvertierer 112 so stark, daß derselbe durch das Datensignal 104 nicht übersteuert werden kann, um den Zustand des Latch zu ändern.
Es besteht in der Technik folglich ein Bedarf nach einem Verfahren zum Erzeugen einer Latch-Schaltung mit einem stärkeren Rückkopplungssignal, um die Auflösungszeit zu verbessern, während es noch möglich ist, daß das Rückkopplungssignal durch ein Eingangsdatensignal übersteuert wird. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese und weitere Anforderungen des Stands der Technik.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Latch-Schaltung zu schaffen, die schnell auflöst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine derartige Latch-Schaltung unter Verwendung von zwei Rückkopplungsinvertiererschaltungen zu schaffen.
Ein weiterer Aspekt besteht darin, den Ausgang von einer Rückkopplungsinvertiererschaltung von dem System zu trennen, wenn Daten in das Latch geladen werden.
Die obigen und weitere Aspekte der Erfindung werden von einer Latch-Schaltung erfüllt, die einen herkömmlichen Vorwärtskopplungsinvertierer und einen Rückkopplungsinvertierer aufweist, während ein zweiter Rückkopplungsinvertierer und eine Umschaltschaltung, um den zweiten Rückkopplungsinvertierer zu geeigneten Zeitpunkten in die Schaltung zu schalten oder von derselben zu trennen, hinzugefügt werden. Der zweite Rückkopplungsinvertierer wird von dem Steuersignal gesteuert, das Eingangsdaten in das Latch führt, um den Zustand des Latch zu ändern. Das heißt, wenn das steuersignal aktiviert ist, um Daten in das Latch zu führen, sperrt dasselbe Steuersignal den Ausgang des zweiten Rückkopplungsinvertierers. Der zweite Invertierer ist stärker als der erste Invertierer. Wenn nun der zweite Rückkopplungsinvertierer von dem System getrennt ist, bleibt der erste Rückkopplungsinvertierer in der Schaltung, um den Zustand des Latch beizubehalten, der jedoch schwächer ist, wodurch der erste Rückkopplungsinvertierer ohne weiteres von dem Eingangssignal übersteuert werden kann. Wenn das Steuersignal deaktiviert ist, verbindet die Umschaltschaltung den Ausgang des stärkeren Invertierers, um die Verstärkung zu erhöhen und um zu ermöglichen, daß die Schaltung ohne weiteres den gespeicherten Zustand beibehalten kann.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Umschaltschaltung einen einzigen PFET-Transistor auf, wobei das Steuersignal mit dessen Gate verbunden ist. Da ein PFET hohe Werte besser durchlassen kann, beinhaltet ein zweites Ausführungsbeispiel einen NFET-Transistor, der parallel zu dem PFET angeordnet ist, wobei dessen Gate mit einem invertierten steuersignal verbunden ist. Folglich kann bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel sowohl ein PFET als auch ein dazu paralleler NFET den Ausgang des stärkeren Invertierers von der Schaltung trennen oder mit derselben verbinden.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung schaltet die Umschaltschaltung Leistung und nicht dessen Ausgangssignal zu und von dem zweiten Rückkopplungsinvertierer um. Bei diesem Ausführungsbeispiel beeinflußt die Kapazität der Umschaltschaltung die Eingangskapazität des Latch nicht, da die Umschaltschaltung nicht mit dem Eingangssignal verbunden ist, wodurch die Auflösungszeit des Latch verbessert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die obigen und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung besser verständlich werden, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Latch-Schaltung;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das einen zweiten Rückkopplungsinvertierer und einen PFET-Transistor verwendet, um die zweite Rückkopplungsschaltung mit der Schaltung zu verbinden oder von derselben zu trennen;
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen zusätzlichen NFET-Transistor in der Umschaltschaltung verwendet; und
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Umschaltschaltung Leistung zu dem zweiten Rückkopplungs invertierer schaltet.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die folgende Beschreibung ist die momentan beste in Erwägung gezogene Art und Weise zum Ausführen der vorliegenden Erfindung. Diese Beschreibung sollte nicht in einem begrenzenden Sinne aufgefaßt werden, sondern dieselbe ist lediglich zum Zwecke der Beschreibung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung vorgesehen. Der Bereich der Erfindung sollte durch Bezugnahme auf die angefügten Ansprüche bestimmt werden.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Latch-Schaltung. Bezugnehmend nun auf Fig. 1 ist ein Vorwärtskopplungsinvertierer 110 parallel mit einem Rückkopplungsinvertierer 112 verbunden. Wenn ein Steuersignal 106 aktiv ist, d. h. einen hohen Pegel aufweist, gibt dasselbe einen NFET 108 frei, welcher ein Datensignal 104 mit dem Eingang 114 des Invertierers 110 verbindet. Der Invertierer 110 invertiert das Signal an seinem Eingang, um ein Ausgangssignal 116 zu erzeugen, welches erneut durch den Invertierer 112 als ein Rückkopplungssignal invertiert wird, um zu bewirken, daß die Schaltung den letzten Zustand speichert oder latcht.
Damit die Schaltung von Fig. 1 korrekt arbeitet, muß der Rückkopplungsinvertierer 112 kleiner sein und folglich ein schwächeres Treiberausgangssignal aufweisen als der Vorwärtskopplungsinvertierer 110. Dies ist notwendig, damit das Eingangsdatensignal 104 den Eingang 114 an dem Invertierer 110 übersteuern kann, um das Latch von einem Zustand zu einem anderen zu ändern.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bezugnehmend nun auf Fig. 2 enthält das Latch 202 der vorliegenden Erfindung einen Vorwärtskopplungsinvertierer 204 und einen schwachen Rückkopplungsinvertierer 206. Ein NFET- Transistor 210 wird durch ein Steuersignal 106 ein- oder ausgeschaltet, um ein Datensignal 104 zu dem Eingang 214 des Vorwärtskopplungsinvertierers 204 durchzuschalten oder nicht durchzuschalten. Ein zweiter Rückkopplungsinvertierer 208 ist angeschlossen, um das Ausgangssignal 216 des Vorwärtskopplungsinvertierers 204 durch eine Umschaltschaltung, die einen Transistor 212 aufweist, zu dem Eingang des Vorwärtskopplungsinvertierers 204 zurückzuführen. Wenn das Steuersignal 106 aktiviert ist, schaltet dasselbe den Transistor 210 ein und den Transistor 212 aus, wodurch das Latch folglich auf dieselbe Art und Weise wie das bekannte Latch von Fig. 1 arbeitet, während das Steuersignal 106 aktiv ist. Das heißt, daß ein Signal an dem Dateneingang 104 mit einem Eingang 214 des Vorwärtskopplungsinvertierers 204 verbunden ist, welcher das Dateneingangssignal 104 invertiert, um das Ausgangssignal 216 zu erzeugen. Das Ausgangssignal 216 ist mit dem Eingang des schwachen Rückkopplungsinvertierers 206 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang des Invertierers 204 zurückverbunden ist. Wegen der niedrigen Leistung des Ausgangstreibersignals des schwachen Invertierers 206 ist das Datensignal 104 in der Lage, den Ausgang des schwachen Invertierers 206 zu übersteuern, um zu ermöglichen, daß die Latch-Schaltung den Zustand ändert.
Wenn das Steuersignal 106 deaktiviert ist, ist der Transistor 212 eingeschaltet, wobei der Ausgang des starken Invertierers mit dem Eingang des Vorwärtskopplungsinvertierers 204 verbunden ist, wodurch eine zusätzliche Verstärkung in der Schaltung geliefert wird, um die Auflösungszeit zu verbessern. In der Praxis sind die kombinierten Ausgangstreiberstärken des schwachen Rückkopplungsinvertierers 206 und des starken Rückkopplungsinvertierers 208 ungefähr gleich der Stärke des Vorwärtskopplungsinvertierers 204, wodurch ein stabiles Latch geschaffen ist. Die Stärke dieser Invertierer wird durch die Größe der Transistoren, die die Invertierer aufweisen, bestimmt, wodurch die kombinierte Größe des Invertierers 206 und des Invertierers 208 näherungsweise dieselbe wie die Größe der Transistoren ist, die der Invertierer 204 aufweist.
Das Verbinden des zweiten Rückkopplungsinvertierers mit der Schaltung verbessert die Verstärkung der Schaltung und folglich die Auflösungszeit der Schaltung.
Da PFET-Transistoren beim Durchlassen hoher Werte gut geeignet sind, jedoch nicht so gut wie NFET-Transistoren beim Durchlassen niedriger Werte, kann die Schaltung von Fig. 2 verbessert werden. Fig. 3 zeigt eine derartige verbesserte Schaltung mit einem NFET-Transistor 304, der zu dem PFET- Transistor 212 parallelgeschaltet ist. Das Gate des NFET- Transistors 304 ist für eine korrekte Aktivierung mit einem invertierten Steuersignal 306 verbunden. Das parallele Anordnen des NFET-Transistors 304 mit dem PFET-Transistor 212 stellt sicher, daß beide Zustände des Latch ohne weiteres durch das Umschaltsystem zu dem Eingang 214 des Vorwärtskopplungsinvertierers 204 durchgelassen werden.
Wenn das Umschaltsystem, das die Transistoren 304 und 212 aufweist, eingeschaltet ist, wirken dieselben wie ein Widerstand zwischen dem Ausgang des starken Invertierers 208 und dem Eingang 214 des Vorwärtskopplungsinvertierers 204. Da diese Transistoren wie Widerstände wirken, müssen dieselben eine große Größe aufweisen, um einen niedrigen Widerstandswert zu erzeugen. Folglich sind dieselben entworfen, um näherungsweise dieselbe Größe wie die Transistoren bei dem Vorwärtskopplungsinvertierer aufzuweisen, wobei jedoch Fachleute erkennen werden, daß dieselben nicht exakt dieselbe Größe wie die Vorwärtskopplungstransistoren aufweisen müssen.
Wie es im vorhergehenden erörtert wurde, ist die Auflösungszeit des Latch sowohl eine Funktion der Verstärkung der Schaltung als auch eine Funktion der Eingangskapazität des Latch. Aufgrund der Position der Umschalttransistoren 304 und 212 beeinflußt die Kapazität dieser Transistoren die Eingangskapazität des Latch. Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches die Kapazität der Umschalttransistoren von dem Eingang der Latch-Schaltung entfernt. Nun wird auf Fig. 4 Bezug genommen. In Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild gezeigt, das alle Transistoren der Schaltung darstellt. Der Vorwärtskopplungsinvertierer 204 und der schwache Rückkopplungsinvertierer 206 sind als Standard-CMOS-Invertiererschaltungen gezeichnet. Der starke Rückkopplungsinvertierer 208 ist ferner eine Standard-CMOS- Invertiererschaltung, wobei jedoch die Umschalttransistoren nicht seriell mit dessen Ausgang verbunden sind. Statt dessen sind die Umschalttransistoren 402 und 404 zwischen den starken Invertierer 208 und Leistung und Masse geschaltet. Wenn die Steuersignale 106 und 306 aktiviert sind, entfernen dieselben die Leistungversorgung von den Transistoren, die der starke Rückkopplungsinvertierer 208 aufweist. Dies hat dieselbe Auswirkung wie die Schaltung von Fig. 3, indem die Treiberfähigkeit des starken Rückkopplungsinvertierers 208 entfernt wird. Da jedoch die Umschalttransistoren 402 und 404 nicht mit dem Signal 214 verbunden sind, ist keine kapazitätsmäßige Auswirkung auf das Signal 214 zu erkennen, wodurch folglich die Auflösungszeit des Latch verbessert wird. Bei dieser Schaltung ist die Größe der Transistoren 402 und 404 durch die Leistungsanforderungen des starken Rückkopplungsinvertierers 208 bestimmt.
Nachdem folglich ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, wird es offensichtlich sein, daß die Aspekte der Erfindung vollständig erfüllt wurden, wobei es für Fachleute seinerseits offensichtlich wird, daß sich viele Änderungen im Aufbau und in der Schaltungsanordnung und sich stark unterscheidende Ausführungsbeispiele und Anwendungen der Erfindung aufdrängen, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Eine Latch-Schaltung (202) zum Speichern von Daten in einer digitalen Schaltung, wobei die Latch-Schaltung folgende Merkmale aufweist:

eine Vorwärtskopplungsinvertiererschaltung (204);

eine erste Rückkopplungsinvertiererschaltung (206) mit einem Eingang, der mit einem Ausgang der Vorwärtskopplungsinvertiererschaltung (204) verbunden ist, und mit einem Ausgang, der mit einem Eingang (214) der Vorwärtskopplungsinvertiererschaltung verbunden ist;

eine Steuereinrichtung (106) zum Verbinden eines Eingangssignals (104) mit dem Eingang der Vorwärtskopplungsinvertiererschaltung;

einen zweiten Rückkopplungsinvertierer (208), der mit dem ersten Rückkopplungsinvertierer parallelgeschaltet ist; und

eine Umschalteinrichtung mit einem Eingang, der mit der Steuereinrichtung (106) verbunden ist, wobei die Umschalteinrichtung angeschlossen ist, um den zweiten Rückkopplungsinvertierer (208) von der Latch- Schaltung zu trennen, wenn die Steuereinrichtung (106) aktiviert ist, um das Eingangssignal (104) mit dem Eingang (214) der Vorwärtskopplungsinvertiererschaltung zu verbinden.

2. Die Latch-Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die Umschalteinrichtung einen einzigen Transistor (212) aufweist.

3. Die Latch-Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die Umschalteinrichtung ein Paar von parallelgeschalteten komplementären Transistoren (212, 304) aufweist.

4. Die Latch-Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die Umschalteinrichtung eine Einrichtung (402, 404) zum Umschalten einer Leistungsversorgung des zweiten Rückkopplungsinvertierers (208) aufweist, wobei die elektrische Leistung von dem zweiten Rückkopplungsinvertierer (208) entfernt ist, wenn der zweite Rückkopplungsinvertierer (208) von der Latch-Schaltung (202) getrennt ist.

5. Die Latch-Schaltung gemäß Anspruch 4, bei der die Einrichtung zum Umschalten einen PFET-Transistor (404), der zwischen eine positive Versorgungsspannung und den zweiten Rückkopplungsinvertierer (208) geschaltet ist, und einen NFET-Transistor (402) aufweist, der zwischen den zweiten Rückkopplungsinvertierer (208) und Masse geschaltet ist, wobei die Steuereinrichtung (106, 306) angeschlossen ist, um den PFET-Transistor und den NFET-Transistor zu trennen, wenn die Steuereinrichtung aktiviert ist.

6. Die Latch-Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der eine kombinierte Größe von Transistoren, die der erste Rückkopplungsinvertierer (206) aufweist, und von Transistoren, die der zweite Rückkopplungsinvertierer (208) aufweist, im wesentlichen zu einer Größe von Transistoren gleich ist, die der Vorwärtskopplungsinvertierer (204) aufweist.

7. Die Latch-Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der eine Größe von Transistoren, die der erste Rückkopplungsinvertierer (206) aufweist, wesentlich kleiner als eine Größe von Transistoren ist, die der Vorwärtskopplungsinvertierer (204) aufweist.

8. Die Latch-Schaltung gemäß Anspruch 7, bei der eine Größe von Transistoren, die der zweite Rückkopplungsinvertierer (208) aufweist, wesentlich größer als eine Größe von Transistoren ist, die der erste Rückkopplungsinvertierer (206) aufweist.

9. Die Latch-Schaltung gemäß Anspruch 1, bei der die Umschalteinrichtung angeschlossen ist, um ein Ausgangssignal des zweiten Rückkopplungsinvertierer (208) von der Latch-Schaltung (202) zu trennen, wenn die Steuereinrichtung (106) aktiviert ist, um das Eingangssignal mit dem Eingang der Vorwärtskopplungsinvertiererschaltung (204) zu verbinden.