JPH04216212A - Static cmos flip-flop circuit - Google Patents
Static cmos flip-flop circuitInfo
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- JPH04216212A JPH04216212A JP2411083A JP41108390A JPH04216212A JP H04216212 A JPH04216212 A JP H04216212A JP 2411083 A JP2411083 A JP 2411083A JP 41108390 A JP41108390 A JP 41108390A JP H04216212 A JPH04216212 A JP H04216212A
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Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明はGHz帯で動作する超高
速CMOSフリップフロップ回路に係わり、特に、超小
型携帯電話機等に使われる周波数シンセサイザーの構成
要素である低電力・超高速プリスケーラーICに好適な
回路構成法に関するものである。[Industrial Application Field] The present invention relates to ultra-high-speed CMOS flip-flop circuits that operate in the GHz band, and in particular to low-power, ultra-high-speed prescaler ICs that are components of frequency synthesizers used in ultra-compact mobile phones and the like. The present invention relates to a preferred circuit configuration method.
【0002】0002
【従来の技術】情報化社会の進展に伴い、自動車電話・
携帯電話等の移動体通信機器の需要が急激に伸びている
。これら移動体通信機器の小型・軽量化にはプリスケー
ラー等周波数シンセサイザーに使われる回路の消費電力
低減によってバッテリ容積・重量を削減することが最も
効果的である。一方、移動体通信の利用の拡大によって
、この用途に割り当てられていた周波数帯は高周波化し
ている。即ち、従来の800MHz帯から1.5GHz
帯さらには3.0GHz帯が予定されている。こうした
動向に対応して上述のプリスケーラー回路等の高速化要
求が高まっている。[Background Art] With the advancement of the information society, car telephones and
Demand for mobile communication devices such as mobile phones is rapidly increasing. The most effective way to reduce the size and weight of these mobile communication devices is to reduce battery volume and weight by reducing the power consumption of circuits used in frequency synthesizers such as prescalers. On the other hand, with the expansion of the use of mobile communications, the frequency bands allocated for this purpose are becoming increasingly high-frequency. In other words, from the conventional 800MHz band to 1.5GHz
Furthermore, a 3.0 GHz band is planned. In response to these trends, there is an increasing demand for faster speeds for the above-mentioned prescaler circuits and the like.
【0003】さて、このような状況にあって、従来、プ
リスケーラー回路はGaAs−ICやSiバイポーラー
ICで構成されていた。移動体通信機器の低システムコ
スト化や低消費電力化の観点からすれば、システム全体
の完全CMOS化が望ましいが、従来のCMOS回路で
はGHz帯での安定な高速動作は困難であった。Under these circumstances, conventional prescaler circuits have been constructed of GaAs-ICs or Si bipolar ICs. From the viewpoint of reducing system cost and power consumption of mobile communication equipment, it is desirable to make the entire system completely CMOS, but it has been difficult for conventional CMOS circuits to operate stably and at high speed in the GHz band.
【0004】そこで、最初にプリスケーラーICの構成
要素であるCMOSフリップフロップ回路について従来
の回路技術を概観する。従来、CMOSフリップフロッ
プ回路には高速動作に優れたダイナミック型と動作の安
定性に優れたスタティック型がある。図4及び図6に各
々の代表的な回路例を示す。[0004] First, the conventional circuit technology for CMOS flip-flop circuits, which are the constituent elements of prescaler ICs, will be reviewed. Conventionally, there are two types of CMOS flip-flop circuits: a dynamic type that has excellent high-speed operation, and a static type that has excellent operational stability. Typical circuit examples are shown in FIGS. 4 and 6.
【0005】図4に示したダイナミックフリップフロッ
プはマスター及びスレーブの二つのクロックドインバー
タより構成されている。図において、Pチャネルトラン
ジスタ41,Nチャネルトランジスタ42,CMOSイ
ンバータ43はクロックドインバータ44を構成する。
Pチャネルトランジスタ45,Nチャネルトランジスタ
46,CMOSインバータ47はクロックドインバータ
48を構成し、出力Qを得る。CMOSインバータ49
は反転出力Q’を得るバッファ回路を構成する。この反
転出力Q’は入力Dに帰還されている。CMOSインバ
ータ50は上記各クロックドインバータを制御するため
のクロック信号Cの反転信号C’を得るためのバッファ
回路を構成する。The dynamic flip-flop shown in FIG. 4 is composed of two clocked inverters, a master and a slave. In the figure, a P-channel transistor 41, an N-channel transistor 42, and a CMOS inverter 43 constitute a clocked inverter 44. A P-channel transistor 45, an N-channel transistor 46, and a CMOS inverter 47 constitute a clocked inverter 48 to obtain an output Q. CMOS inverter 49
constitutes a buffer circuit that obtains an inverted output Q'. This inverted output Q' is fed back to the input D. The CMOS inverter 50 constitutes a buffer circuit for obtaining an inverted signal C' of the clock signal C for controlling each of the clocked inverters.
【0006】この図4の回路において、初期状態をクロ
ック信号=H(highレベル)、クロックドインバー
タ44の出力A=H、クロックドインバータ48の出力
Q=L(lowレベル)と定める。そうするとPチャネ
ルトランジスタ41、Nチャネルトランジスタ42は共
にオフ(非導通)状態となるから、クロックドインバー
タ44は不動作状態となっている。従って、クロック信
号=Hの期間、CMOSインバータ43のソース・ドレ
イン接合容量Cjと次段のCMOSインバータ47のゲ
ート容量出力Cgの合成容量Cl(=Cj+Cg)に蓄
えられた電荷によって‘H’レベルの信号が維持されて
いる。一方、Pチャネルトランジスタ45,Nチャネル
トランジスタ46は共にオン(導通)状態となるから、
クロックドインバータ48は動作状態となっている。従
って、クロックドインバータ48は前段のクロックドイ
ンバータ44の出力A=‘H’レベルを受けて、‘L’
レベルの信号を出力する。更に、この出力はCMOSイ
ンバータ49により反転されて‘H’レベルとなって入
力Dに帰還されている。クロック信号=Hの期間におい
ては、CMOSインバータ49のソース・ドレイン接合
容量Cjと次段のCMOSインバータ43のゲート容量
Cgとの合成容量C3(=Cj+Cg)は電源電圧VD
D(‘H’レベルと同電位)で充電される。In the circuit of FIG. 4, the initial state is defined as the clock signal=H (high level), the output A of clocked inverter 44=H, and the output Q of clocked inverter 48=L (low level). Then, the P-channel transistor 41 and the N-channel transistor 42 are both turned off (non-conductive), so that the clocked inverter 44 is in an inoperative state. Therefore, during the period when the clock signal is H, the charge stored in the composite capacitance Cl (=Cj+Cg) of the source-drain junction capacitance Cj of the CMOS inverter 43 and the gate capacitance output Cg of the CMOS inverter 47 at the next stage increases the 'H' level. Signal is maintained. On the other hand, since both the P-channel transistor 45 and the N-channel transistor 46 are in the on (conducting) state,
Clocked inverter 48 is in an operating state. Therefore, the clocked inverter 48 receives the output A='H' level of the previous stage clocked inverter 44, and goes 'L'.
Outputs a level signal. Further, this output is inverted by a CMOS inverter 49 to become an 'H' level and fed back to the input D. During the period when the clock signal = H, the combined capacitance C3 (=Cj+Cg) of the source-drain junction capacitance Cj of the CMOS inverter 49 and the gate capacitance Cg of the next stage CMOS inverter 43 is equal to the power supply voltage VD.
It is charged at D (same potential as 'H' level).
【0007】次にクロック信号が‘L’レベルに変化す
ると、クロックドインバータ44は動作状態となり、ク
ロックドインバータ48は不動作状態となる。その結果
、クロックドインバータ44は入力Dの‘H’レベルを
受けて‘L’レベルを出力する。即ち、クロック信号=
Lの期間では、合成容量Clの放電が続く。一方、出力
Qはクロックドインバータ48が不動作状態となるため
、合成容量C2によって‘L’レベルの信号が保持され
る。出力Qの信号レベルが‘L’レベルでCMOSイン
バータ49の論理しきい値以下に保たれている間は、‘
H’レベルが入力Dに帰還されている。Next, when the clock signal changes to ``L'' level, clocked inverter 44 becomes active and clocked inverter 48 becomes inactive. As a result, the clocked inverter 44 receives the 'H' level of the input D and outputs the 'L' level. That is, clock signal =
During the L period, the combined capacitance Cl continues to be discharged. On the other hand, since the clocked inverter 48 is inactive, the output Q is held at an 'L' level signal by the composite capacitor C2. While the signal level of the output Q is kept at 'L' level and below the logic threshold of the CMOS inverter 49, '
The H' level is fed back to input D.
【0008】次にクロック信号が‘H’レベルに変化す
ると、クロックドインバータ44は動作状態となり、ク
ロックドインバータ48は不動作状態となる。その結果
、クロックドインバータ44の出力Aは‘L’レベルに
維持され、出力Qの信号レベルが‘L’レベルから‘H
’レベルに、反転出力Q’の信号レベルが‘H’レベル
から‘L’レベルに変化する。以上のようなクロック信
号変化で同様の変化を繰り返すため、図4の回路動作は
図5の波形図のようになる。Next, when the clock signal changes to 'H' level, clocked inverter 44 becomes active and clocked inverter 48 becomes inactive. As a result, the output A of the clocked inverter 44 is maintained at the 'L' level, and the signal level of the output Q changes from the 'L' level to the 'H' level.
'level,' the signal level of the inverted output Q changes from 'H' level to 'L' level. Since similar changes are repeated due to changes in the clock signal as described above, the circuit operation of FIG. 4 becomes as shown in the waveform diagram of FIG. 5.
【0009】図4に示した回路は高速動作性に優れてお
り、本願発明者らは0.2μm級のゲート長を有したC
MOSプロセスを用いて上記の回路を構成し、電源電圧
(VDD)2Vで3.2GHzの分周動作を確認してい
る。図3に最高動作周波数の電源電圧依存性を示す(文
献:Y.Kado,Y.Okazaki,M.Suzu
ki,and T.Kobyashi;Electro
nics Letters,1990,Vol.26,
No.20,pp1684)。これにより、GHz帯で
動作する低消費電力・超高速CMOS・LSI実現の見
通しが得られ、将来、移動体通信で使われる低電力3G
Hz帯周波数シンセサイザーへの応用が期待されている
。The circuit shown in FIG. 4 has excellent high-speed operation, and the inventors of the present application have developed a circuit with a gate length of 0.2 μm class.
The above circuit is constructed using a MOS process, and frequency division operation of 3.2 GHz has been confirmed at a power supply voltage (VDD) of 2 V. Figure 3 shows the dependence of the maximum operating frequency on the power supply voltage (Reference: Y. Kado, Y. Okazaki, M. Suzu
ki, and T. Kobyashi; Electro
nics Letters, 1990, Vol. 26,
No. 20, pp1684). This provides the prospect of realizing low-power consumption, ultra-high-speed CMOS/LSIs that operate in the GHz band, and will enable low-power 3G to be used in mobile communications in the future.
Application to Hz band frequency synthesizers is expected.
【0010】一方、動作の安定性に優れたCMOS構成
のスタティック型フリップフロップとしては図6の如き
ものが使用されていた。図において、トランスファーゲ
ート61,62,65,66及びインバータ63,64
,67,68,69,70は何れもPチャネルトランジ
スタとNチャネルトランジスタよりなるCMOS構成と
なっている。インバータ63に対してインバータ64及
びトランスファーゲート62は帰還回路を構成しており
、トランスファーゲート62が導通状態の時マスター側
の信号を保持する機能を有する。同様にインバータ67
,68及びトランスファーゲート66はトランスファー
ゲート66が導通状態の時スレーブ側の信号を保持する
機能を有する。スレーブ側の出力Qはインバータ69で
反転されて入力Dに帰還される。CMOSインバータ7
0は上記各トランスファーゲートを制御するためのクロ
ック信号Cの反転信号C’を得るためのバッファ回路を
構成する。On the other hand, as a CMOS-structured static flip-flop with excellent operational stability, the one shown in FIG. 6 has been used. In the figure, transfer gates 61, 62, 65, 66 and inverters 63, 64
, 67, 68, 69, and 70 all have a CMOS configuration consisting of a P-channel transistor and an N-channel transistor. The inverter 64 and the transfer gate 62 constitute a feedback circuit with respect to the inverter 63, and have a function of holding a signal on the master side when the transfer gate 62 is in a conductive state. Similarly, inverter 67
, 68 and the transfer gate 66 have a function of holding a signal on the slave side when the transfer gate 66 is in a conductive state. Output Q on the slave side is inverted by inverter 69 and fed back to input D. CMOS inverter 7
0 constitutes a buffer circuit for obtaining an inverted signal C' of the clock signal C for controlling each of the transfer gates.
【0011】この図6の回路において、初期状態をクロ
ック信号=H(highレベル)、出力Q=L(low
レベル)と定める。トランスファーゲート61は導通状
態となり、トランスファーゲート62は非導通状態とな
るので、マスター側のインバータ63は‘H’レベルの
入力を受けて‘L’レベルを出力する。一方、スレーブ
側ではトランスファーゲート65は非導通状態となり、
トランスファーゲート66は導通状態となるので、マス
ター側との信号伝達経路は遮断され、出力Qのlowレ
ベルを保持している。In the circuit shown in FIG. 6, the initial state is that the clock signal=H (high level) and the output Q=L (low level).
level). Since the transfer gate 61 becomes conductive and the transfer gate 62 becomes non-conductive, the inverter 63 on the master side receives an input of 'H' level and outputs 'L' level. On the other hand, on the slave side, the transfer gate 65 is in a non-conductive state,
Since the transfer gate 66 becomes conductive, the signal transmission path with the master side is cut off, and the output Q is maintained at a low level.
【0012】次にクロック信号が‘L’レベルに変化す
ると、トランスファーゲート61,66が非導通状態、
トランスファーゲート62,65が導通状態となる。そ
の結果、マスター側では‘L’レベルの信号が保持され
、マスター側からスレーブ側にトランスファーゲート6
5を通して‘L’レベルの信号が伝達される。従って、
出力Qは‘L’レベルから‘H’レベルに変化する。Next, when the clock signal changes to the 'L' level, the transfer gates 61 and 66 become non-conductive;
Transfer gates 62 and 65 become conductive. As a result, the 'L' level signal is held on the master side, and the transfer gate 6 is transferred from the master side to the slave side.
5, an 'L' level signal is transmitted. Therefore,
Output Q changes from 'L' level to 'H' level.
【0013】次にクロック信号が‘H’レベルに変化す
ると、トランスファーゲート61,66が導通状態、ト
ランスファーゲート62,65が非導通状態となる。そ
の結果、スレーブ側では‘H’レベルの信号が保持され
、スレーブ側からマスター側にインバータ69を介して
‘L’レベルの信号が入力Dに帰還される。以上のよう
なクロック信号変化で同様の変化を繰り返すため、図6
の回路動作は図7の波形図のようになる。0.2μm級
のゲート長を有したCMOSプロセスを用いて上記の回
路を構成した場合の、最高分周動作周波数の電源電圧依
存性を図3に示す。電源電圧2Vで2GHz動作が可能
であり、信号の保持動作をするフリップフロップ要素を
有しているため、低周波からの安定動作が可能である。Next, when the clock signal changes to 'H' level, transfer gates 61 and 66 become conductive and transfer gates 62 and 65 become non-conductive. As a result, the 'H' level signal is held on the slave side, and the 'L' level signal is fed back to the input D from the slave side to the master side via the inverter 69. In order to repeat the same change due to the above clock signal change, as shown in Fig.
The circuit operation is as shown in the waveform diagram of FIG. FIG. 3 shows the dependence of the maximum divided operating frequency on the power supply voltage when the above circuit is constructed using a CMOS process having a gate length of 0.2 μm class. It is possible to operate at 2 GHz with a power supply voltage of 2 V, and because it has a flip-flop element that performs a signal holding operation, stable operation is possible from low frequencies.
【0014】[0014]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図4に
示した従来のダイナミックフリップフロップにはクロッ
ク信号の周波数が低下してくると、動作の安定性が劣化
するという問題がある。前記の動作説明で述べたように
、フリップフロップ要素による信号の保持はCMOSイ
ンバータ63(又は67)のソース・ドレイン接合容量
Cjと次段のCMOSインバータ67(又は69)のゲ
ート容量出力Cgの合成容量Cl(=Cj+Cg)に蓄
えられた電荷によってなされる。ところが、蓄積電荷は
ソース・ドレイン接合やゲート酸化膜におけるリーク電
流により時間とともに減少するので、信号の周期が長く
なると保持している信号レベルが低下し、ついには次段
のインバータの論理しきい値以下になる。その結果、次
段のインバータが反転し、誤動作する。この期間は電源
電圧が低下する程、合成容量Cl(=Cj+Cg)に充
電される電荷量が少なくなるので深刻になる。このよう
に、従来のCMOSダイナミックフリップフロップは高
速性に優れているが、低周波での安定動作に問題があっ
た。However, the conventional dynamic flip-flop shown in FIG. 4 has a problem in that the stability of its operation deteriorates as the frequency of the clock signal decreases. As described in the operation description above, signal retention by the flip-flop element is achieved by combining the source-drain junction capacitance Cj of the CMOS inverter 63 (or 67) and the gate capacitance output Cg of the next-stage CMOS inverter 67 (or 69). This is done by the charge stored in the capacitor Cl (=Cj+Cg). However, the accumulated charge decreases over time due to leakage current in the source-drain junction and gate oxide film, so as the signal period becomes longer, the maintained signal level decreases, eventually reaching the logic threshold of the next stage inverter. It becomes below. As a result, the inverter at the next stage is inverted and malfunctions. This period becomes more serious as the power supply voltage decreases, as the amount of charge charged to the composite capacitance Cl (=Cj+Cg) decreases. As described above, the conventional CMOS dynamic flip-flop has excellent high speed performance, but has a problem in stable operation at low frequencies.
【0015】一方、図6に示した従来のスタティック型
フリップフロップはダイナミック型に比べて素子数が多
く寄生容量も増加する為図3に示したように高速動作性
能が悪く、最先端の微細CMOS技術を用いても、3G
Hz帯小型携帯電話機の周波数シンセサイザー等に適用
するのは困難である。このような状況下にあって、低電
源電圧でGHz帯で動作し、動作周波数に依存せず安定
に動作するCMOS・フリップフロップ回路技術が求め
られていた。On the other hand, the conventional static type flip-flop shown in FIG. 6 has a larger number of elements and an increased parasitic capacitance than the dynamic type, so its high-speed operation performance is poor as shown in FIG. Even with technology, 3G
It is difficult to apply this method to frequency synthesizers of small Hz-band mobile phones. Under these circumstances, there has been a need for CMOS flip-flop circuit technology that operates in the GHz band with a low power supply voltage and operates stably without depending on the operating frequency.
【0016】本発明の目的は、動作の安定性に優れたC
MOSスタティック型フリップフロップ回路の利点を有
しながら、CMOSダイナミック型フリップフロップ並
の高速動作が可能なスタティック型CMOSフリップ回
路を提供することにある。[0016] An object of the present invention is to provide a C
It is an object of the present invention to provide a static CMOS flip-flop circuit capable of operating at a high speed comparable to that of a CMOS dynamic flip-flop while having the advantages of a MOS static flip-flop circuit.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、動作の安定性に優れたCMOSス
タティック型フリップフロップ回路において、動作速度
を律速しているトランスファーゲートの特性を改善し、
フリップフロップ要素を構成しているインバータの負荷
容量を低減する回路的手段を具備せしめたことを主要な
構成上の特徴とするものである。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention improves the characteristics of the transfer gate that determines the operating speed in a CMOS static flip-flop circuit with excellent operational stability. improve,
The main structural feature is that a circuit means is provided to reduce the load capacity of the inverter constituting the flip-flop element.
【00018】00018
【実施例】以下に、図面を参照して本発明の一実施例を
説明する。図1はCMOSでトランスファーゲートを構
成した場合の同実施例を示す回路図であり、マスター・
フリップフロップ回路とスレーブ・フリップフロップ回
路で構成される。即ちマスター・フリップフロップでは
CMOSインバータ1の入出力端はP型チャネルMOS
トランジスタとN型チャネルMOSトランジスタより構
成されるCMOSトランジスタゲート3,4を介してC
MOSインバータ2の出入力端に相互接続してフリップ
フロップ要素を構成している。スレーブ・フリップフロ
ップにおいても、同様にCMOSインバータ5の入出力
端はCMOSトランスファーゲート7,8を介してCM
OSインバータ6の出入力端に相互接続して、フリップ
フロップ要素を構成している。マスター側の前記のCM
OSインバータ1,2の出力信号はCMOSトランスフ
ァーゲート9,10を介してスレーブ側のCMOSイン
バータ5,6の入力側に各々伝達される。一方、スレー
ブ側のCMOSインバータ5,6の出力信号はCMOS
トランスファーゲート11,12を介してマスター側の
CMOSインバータ1,2の入力端に帰還される。正相
のタイミングパルスをトランスファーゲート7,8,1
1,12のPMOS及びトランスファーゲート3,4,
9,10のNMOSのゲートに各々供給し、一方、上記
タイミングパルスと逆相のタイミングパルスをCMOS
インバータ15を介して生成し、トランスファーゲート
3,4,9,10のPMOS及びトランスファーゲート
7,8,11,12のNMOSのゲートに各々供給する
。CMOSインバータ13及び14は各々出力Q’及び
Qを各々供給するバッファ回路を構成する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Figure 1 is a circuit diagram showing the same embodiment when the transfer gate is configured with CMOS.
It consists of a flip-flop circuit and a slave flip-flop circuit. That is, in the master flip-flop, the input and output terminals of CMOS inverter 1 are P-type channel MOS.
C through CMOS transistor gates 3 and 4 composed of a transistor and an N-type channel MOS transistor.
It is interconnected to the input and output terminals of the MOS inverter 2 to form a flip-flop element. Similarly, in the slave flip-flop, the input and output terminals of the CMOS inverter 5 are connected to the CM through the CMOS transfer gates 7 and 8.
It is interconnected to the input and output terminals of the OS inverter 6 to form a flip-flop element. The above commercial on the master side
The output signals of OS inverters 1 and 2 are transmitted to the input sides of slave-side CMOS inverters 5 and 6 via CMOS transfer gates 9 and 10, respectively. On the other hand, the output signals of CMOS inverters 5 and 6 on the slave side are CMOS
The signal is fed back via transfer gates 11 and 12 to the input terminals of CMOS inverters 1 and 2 on the master side. The positive phase timing pulse is transferred to transfer gates 7, 8, 1.
1, 12 PMOS and transfer gates 3, 4,
9 and 10, respectively, and on the other hand, a timing pulse with the opposite phase to the above timing pulse is supplied to the CMOS gate.
It is generated through an inverter 15 and supplied to the PMOS gates of transfer gates 3, 4, 9, and 10 and the NMOS gates of transfer gates 7, 8, 11, and 12, respectively. CMOS inverters 13 and 14 each constitute a buffer circuit that supplies outputs Q' and Q, respectively.
【00019】ここで図1の回路動作を説明するに当り
、図6の場合と同様の初期状態、即ちクロック信号=H
(highレベル)、出力Q=L(lowレベル)と定
める。トランスファーゲート3,4,9,10は導通状
態となり、トランスファーゲート7,8,11,12は
非導通状態となる。マスター側のフリップフロップ要素
は信号の保持状態にあると共に、導通状態となっている
トランスファーゲート9,10を介して‘H’レベル及
び‘L’レベルの信号がスレーブ側のCMOSインバー
タ5,6に各々伝達されている。また、スレーブ側のC
MOSインバータ5,6の出力はマスター側のフリップ
フロップ要素に帰還されている。In explaining the circuit operation of FIG. 1, the initial state is the same as that of FIG. 6, that is, the clock signal is
(high level) and output Q=L (low level). Transfer gates 3, 4, 9, and 10 are in a conductive state, and transfer gates 7, 8, 11, and 12 are in a non-conductive state. The flip-flop element on the master side is in a signal holding state, and 'H' level and 'L' level signals are sent to the slave side CMOS inverters 5, 6 via the transfer gates 9, 10 which are in a conductive state. Each is being communicated. Also, C on the slave side
The outputs of the MOS inverters 5 and 6 are fed back to the flip-flop element on the master side.
【0020】次にクロック信号が‘L’レベルに変化す
ると、トランスファーゲート3,4,9,10が非導通
状態、トランスファーゲート7,8,11,12が導通
状態となる。その結果、スレーブ側のフリップフロップ
要素は信号の保持状態にあると共に、CMOSインバー
タ5,6から導通状態となっているトランスファーゲー
ト12,11を介して‘L’レベル及び‘H’レベルの
信号がマスター側のCMOSインバータ2,1に各々帰
還される。出力Qは依然として‘L’レベルである。Next, when the clock signal changes to ``L'' level, transfer gates 3, 4, 9, and 10 become non-conductive, and transfer gates 7, 8, 11, and 12 become conductive. As a result, the flip-flop element on the slave side is in a signal holding state, and 'L' and 'H' level signals are transmitted from the CMOS inverters 5 and 6 via the conductive transfer gates 12 and 11. The signals are fed back to the CMOS inverters 2 and 1 on the master side, respectively. Output Q is still at 'L' level.
【0021】次にクロック信号が‘H’レベルに変化す
ると、トランスファーゲート3,4,9,10が導通状
態、トランスファーゲート7,8,11,12が非導通
状態となる。マスター側のフリップフロップ要素は信号
の保持状態になると共に、CMOSインバータ1,2か
ら導通状態となっているトランスファーゲート9,10
を介して‘L’レベル及び‘H’レベルの信号がスレー
ブ側のCMOSインバータ5,6に各々伝達される。そ
の結果、出力Qは‘H’レベルの信号に反転する。以上
のようなクロック信号変化で同様の変化を繰り返すため
、図1の回路動作は図2の波形図のようになる。Next, when the clock signal changes to ``H'' level, transfer gates 3, 4, 9, and 10 become conductive, and transfer gates 7, 8, 11, and 12 become non-conductive. The flip-flop element on the master side is in a signal holding state, and the transfer gates 9 and 10 are in a conductive state from the CMOS inverters 1 and 2.
``L'' level and ``H'' level signals are transmitted to slave side CMOS inverters 5 and 6, respectively. As a result, the output Q is inverted to an 'H' level signal. Since similar changes are repeated due to changes in the clock signal as described above, the circuit operation of FIG. 1 becomes as shown in the waveform diagram of FIG. 2.
【0022】以上が本発明のスタティック型フリップフ
ロップの簡単な動作説明であるが、図6に示した従来の
スタティック型フリップフロップよりも高速に動作する
要因は以下の3点にまとめられる。The above is a brief explanation of the operation of the static flip-flop of the present invention, and the reasons why it operates faster than the conventional static flip-flop shown in FIG. 6 can be summarized into the following three points.
【0023】第1点はフリップフロップ要素間の信号伝
達を担うトランスファーゲート9,10,11,12に
おける信号伝達の高速化である。本発明の回路では、上
記のトランスファー・ゲートが非導通状態から導通状態
に遷移する直前の両端の電位差(トランスファー・ゲー
トを構成するMOSトランジスタのソース・ドレイン間
電圧に相当)は常にほぼ電源電圧分(Highレベルと
Lowレベルとの電位差に相当)に確保されている。従
って、タイミングパルスが変化してゲートが導通状態に
なった直後から大きな電流が流れるため次段のCMOS
インバータのゲート容量を短時間で充放電出来る。図6
に示した従来のスタティック型フリップフロップ回路に
おけるトランスファー・ゲート61,65の両端の電位
差は本発明の回路と異なり電源電圧分の電位差は常に確
保されるとは限らない。The first point is to increase the speed of signal transmission in transfer gates 9, 10, 11, and 12, which are responsible for signal transmission between flip-flop elements. In the circuit of the present invention, the potential difference between the ends of the transfer gate immediately before the transition from the non-conducting state to the conducting state (corresponding to the source-drain voltage of the MOS transistor constituting the transfer gate) is always approximately equal to the power supply voltage. (corresponding to the potential difference between High level and Low level). Therefore, a large current flows immediately after the timing pulse changes and the gate becomes conductive, so the next stage CMOS
The gate capacity of the inverter can be charged and discharged in a short time. Figure 6
Unlike the circuit of the present invention, the potential difference between the ends of the transfer gates 61 and 65 in the conventional static flip-flop circuit shown in FIG.
【0024】第2点はフリップフロップ要素を構成する
CMOSインバータ1,2の容量負荷の低減による信号
伝搬の高速化である。図6に示した従来のスタティック
型フリップフロップ回路ではCMOSインバータ63の
容量負荷としてCMOSインバータ64のゲート容量と
トランスファー・ゲート65の接合容量が存在する。一
方、本発明の回路ではCMOSインバータ1及び2の容
量負荷は各々トランスファー・ゲート9,4及び10,
3の接合容量である。トランジスタの微細化が進んでゲ
ート酸化膜が薄くなると、ゲート容量に比べ接合容量の
方が相対的に小さくなる。従って、同じサイズのトラン
ジスタで回路を構成した場合、本発明の回路の負荷容量
の方が小さくなる。The second point is to increase the speed of signal propagation by reducing the capacitive load of the CMOS inverters 1 and 2 constituting the flip-flop elements. In the conventional static flip-flop circuit shown in FIG. 6, the gate capacitance of the CMOS inverter 64 and the junction capacitance of the transfer gate 65 exist as capacitive loads of the CMOS inverter 63. On the other hand, in the circuit of the present invention, the capacitive loads of CMOS inverters 1 and 2 are transfer gates 9, 4 and 10, respectively.
The junction capacitance is 3. As transistors become smaller and gate oxide films become thinner, junction capacitance becomes smaller than gate capacitance. Therefore, when a circuit is configured with transistors of the same size, the load capacitance of the circuit of the present invention is smaller.
【0025】第3点は本発明の回路は両相信号を並行に
マスターフリップフロップとスレーブフリップフロップ
間で伝達しているので、分周動作に必要な出力Qの反転
信号を生成するために、CMOSインバータを介する必
要がないことである。図7に示したように、CMOSイ
ンバータ5,6の出力を逆相の信号ラインに帰還させて
いる。一方、従来回路では、CMOSインバータ69を
介して逆相信号を帰還させている。また、トランスファ
ーゲート65の出力を帰還させる場合では、信号経路に
トランスファーゲートが2段続くことになり、動作が不
安定になると同時に駆動力がないので信号遅延が大きく
なる。The third point is that since the circuit of the present invention transmits both phase signals in parallel between the master flip-flop and the slave flip-flop, in order to generate the inverted signal of the output Q necessary for the frequency division operation, There is no need to use a CMOS inverter. As shown in FIG. 7, the outputs of the CMOS inverters 5 and 6 are fed back to signal lines of opposite phase. On the other hand, in the conventional circuit, the reverse phase signal is fed back via the CMOS inverter 69. Furthermore, in the case where the output of the transfer gate 65 is fed back, two stages of transfer gates are required in the signal path, which makes the operation unstable and at the same time increases the signal delay because there is no driving force.
【0026】0.2μm級のゲート長を有したCMOS
プロセスを用いて上記の回路を構成した場合の、最高分
周動作周波数の電源電圧依存性を図3に示す。電源電圧
2V以上では図4に示したダイナミック型フリップフロ
ップと同程度の高速動作性能を示す。電源電圧2V以下
でも、図6に示した従来のスタティック型フリップフロ
ップよりも高い高速性能を示す。また、原理的に信号保
持動作を伴うので、低周波動作時にも安定した性能を示
す。CMOS with gate length of 0.2 μm class
FIG. 3 shows the dependence of the maximum divided operating frequency on the power supply voltage when the above circuit is constructed using the process. At a power supply voltage of 2V or more, the device exhibits high-speed operation performance comparable to that of the dynamic flip-flop shown in FIG. Even at a power supply voltage of 2V or less, it exhibits higher high-speed performance than the conventional static flip-flop shown in FIG. In addition, since it involves a signal holding operation in principle, it exhibits stable performance even during low frequency operation.
【0027】[0027]
【発明の効果】以上説明したように、本発明のスタティ
ック型CMOSフリップフロップ回路を用いることによ
り、動作周波数によらず安定な動作を確保し、2Vの低
電源電圧で最高3GHzの高速分周動作が可能になる。
これにより、次期の移動体通信機器の周波数シンセサイ
ザー等に使われるプリスケーラー回路等をCMOS化す
ることが可能になるので、これらの機器に使われるIC
の完全CMOS化が実現され、システムの低消費電力化
と低コスト化を図ることが出来る。[Effects of the Invention] As explained above, by using the static CMOS flip-flop circuit of the present invention, stable operation is ensured regardless of the operating frequency, and high-speed frequency division operation of up to 3 GHz is achieved with a low power supply voltage of 2 V. becomes possible. This will make it possible to implement CMOS prescaler circuits, etc. used in frequency synthesizers, etc. of next-generation mobile communication devices, so ICs used in these devices will be
It is possible to realize complete CMOS implementation of the system, and it is possible to reduce the power consumption and cost of the system.
【図1】本発明の実施例を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.
【図2】図1の実施例の動作を説明するための信号波形
図である。FIG. 2 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the embodiment in FIG. 1;
【図3】従来回路及び本発明による回路の最高分周動作
周波数の電源電圧依存特性図である。FIG. 3 is a power supply voltage dependence characteristic diagram of the maximum divided operating frequency of a conventional circuit and a circuit according to the present invention.
【図4】従来のCMOSダイナミック型フリップフロッ
プ回路の1例を示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a conventional CMOS dynamic flip-flop circuit.
【図5】図4の従来例の動作を説明するための信号波形
図である。FIG. 5 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the conventional example shown in FIG. 4;
【図6】従来のCMOSスタティック型フリップフロッ
プ回路の1例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of a conventional CMOS static flip-flop circuit.
【図7】図6の従来例の動作を説明するための信号波形
図である。7 is a signal waveform diagram for explaining the operation of the conventional example shown in FIG. 6; FIG.
1,2,5,6 CMOSインバータ3,4,7,8
,9,10,11,12 CMOSトランスファーゲ
ート1, 2, 5, 6 CMOS inverter 3, 4, 7, 8
,9,10,11,12 CMOS transfer gate
Claims (1)
第1のトランスファーゲートを介して第2のCMOSイ
ンバータの入力端に接続し、第2のCMOSインバータ
の出力端を第2のトランスファーゲートを介して前記第
1のCMOSインバータの入力端に接続してなるマスタ
ー・フリップフロップ要素と、第3のCMOSインバー
タの出力端を第3のトランスファーゲートを介して第4
のCMOSインバータの入力端に接続し、第4のCMO
Sインバータの出力端を第4のトランスファーゲートを
介して前記第3のCMOSインバータの入力端に接続し
てなるスレーブ・フリップフロップ要素を具備し、前記
マスター・フリップフロップ要素の前記第1及び第2の
CMOSインバータの出力端が第5及び第6のトランス
ファーゲートを介して前記スレーブ・フリップ・フロッ
プ要素の第3及び第4のCMOSインバータの入力端に
各々接続され、前記スレーブ・フリップフロップ要素の
前記第3及び第4のCMOSインバータの出力信号が第
7及び第8のトランスファーゲートを介して前記マスタ
ー・フリップフロップ要素の前記第2及び第1のCMO
Sインバータの入力端に各々帰還され、タイミングパル
スが前記第1,第2,第5,第6のトランスファーゲー
トのゲートに、該タイミングパルスと逆相のタイミング
パルスが前記第3,第4,第7,第8のトランスファー
ゲートのゲートに供給されように構成されたスタティッ
ク型CMOS・フリップフロップ回路。Claim 1: An output terminal of a first CMOS inverter is connected to an input terminal of a second CMOS inverter via a first transfer gate, and an output terminal of the second CMOS inverter is connected via a second transfer gate. a master flip-flop element connected to the input terminal of the first CMOS inverter, and a fourth CMOS inverter connected to the output terminal of the third CMOS inverter via a third transfer gate.
connected to the input terminal of the fourth CMOS inverter, and connected to the input terminal of the fourth CMOS inverter.
a slave flip-flop element configured by connecting an output terminal of an S inverter to an input terminal of the third CMOS inverter via a fourth transfer gate; The output ends of the CMOS inverters are connected to the input ends of the third and fourth CMOS inverters of the slave flip-flop element through fifth and sixth transfer gates, respectively, and the output ends of the CMOS inverters of the slave flip-flop element The output signals of the third and fourth CMOS inverters are transferred to the second and first CMOS inverters of the master flip-flop element through seventh and eighth transfer gates.
The timing pulses are fed back to the input terminals of the S inverters, and the timing pulses are fed back to the gates of the first, second, fifth, and sixth transfer gates, and the timing pulses having a phase opposite to the timing pulses are fed back to the gates of the third, fourth, and sixth transfer gates. 7. A static CMOS flip-flop circuit configured to be supplied to the gate of the eighth transfer gate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41108390A JP3178609B2 (en) | 1990-12-17 | 1990-12-17 | Static type CMOS flip-flop circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP41108390A JP3178609B2 (en) | 1990-12-17 | 1990-12-17 | Static type CMOS flip-flop circuit |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04216212A true JPH04216212A (en) | 1992-08-06 |
| JP3178609B2 JP3178609B2 (en) | 2001-06-25 |
Family
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP41108390A Expired - Fee Related JP3178609B2 (en) | 1990-12-17 | 1990-12-17 | Static type CMOS flip-flop circuit |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3178609B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5467038A (en) * | 1994-02-15 | 1995-11-14 | Hewlett-Packard Company | Quick resolving latch |
| JP2009118344A (en) * | 2007-11-08 | 2009-05-28 | Fujitsu Microelectronics Ltd | Semiconductor device |
-
1990
- 1990-12-17 JP JP41108390A patent/JP3178609B2/en not_active Expired - Fee Related
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| US5467038A (en) * | 1994-02-15 | 1995-11-14 | Hewlett-Packard Company | Quick resolving latch |
| JP2009118344A (en) * | 2007-11-08 | 2009-05-28 | Fujitsu Microelectronics Ltd | Semiconductor device |
| US8749287B2 (en) | 2007-11-08 | 2014-06-10 | Fujitsu Semiconductor Limited | Semiconductor device |
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|---|---|
| JP3178609B2 (en) | 2001-06-25 |
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