DE2018150B2

DE2018150B2 - MONOLITHICALLY INTEGRATED FLIP FLOP CIRCUIT

Info

Publication number: DE2018150B2
Application number: DE19702018150
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 7800 Freiburg; Kreitz Walter Dipl.-Ing. 7803 Gundelfingen Keller
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1970-04-16
Filing date: 1970-04-16
Publication date: 1972-02-24
Also published as: DE2018150A1; ES390236A1; CH522329A; FR2089685A5; IT987531B; JPS5137752B1; GB1279579A

Description

trau isiiiren verbunden ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß ein zweiter kiimplementiirer Zusatzlransistor derart vorgesehen is;. daß dessen Emitter mit dem Emitter des ersten Zu-:.!/transistors, daß dessen Basis mit dem Kollektor Je-; einen der beiden Schaltiransisioren und daß ι!., ii Kollektor mit dem Kollektor des anderen der lui./'.n Schalttransisloren verbunden ist.trust is connected. An advantageous further development of the invention consists in that a second additional transistor implemented in such a manner is provided is ;. that its emitter with the emitter of the first to -:.! / transistor, that its base with the collector Je-; one of the two Schaltiransisioren and that ι!., ii collector with the collector of the other of the lui./'.n switching transistors is connected.

!::, letzteren Falle sind also die beiden zueinander komplementären Transistoren einer Flip-Flop-Hälfte π·..ι ihren Kollekto^-Emitter-Strecken derart in Serie gf■·. i.iiltet, daß die beiden Kollektoren miteinander v,.:"Linden sind und die Emitter der Zusatztransis!· :;■■ vi über den gemeinsamen Arbeitswidcrsiand an Iv ; ,^bsspannung angeschlossen sind.! ::, the latter case are the two complementary transistors of a flip-flop half π · ..ι their collector ^ emitter lines in series gf ■ ·. i.iiltet that the two collectors with each other v,.: "Linden trees are and the emitters of the additional transis! · :; ■■ vi about the joint labor resistance Iv; , ^ voltage are connected.

; ine weitere Verringerung des Widerstandsbcdarl's cl.^: criindungsgemäßen Schaltungsanordnung läßt ir. dadurch erzielen, daß in Ausgestaltung der l.^:.;:':iidung der Arbeitswiderstand d.-rch einen als j: -lantstromciuelle geschalteten T_rnnsj_stor ersetzt i Der als Konstantstromqucllc geschaltete Tranig ir befindet sich demzufolge in der Emitter-■<c.;c\lung des oder der komplementärer. Zusatztranf._;-o;-en. Rein formal ist das Einschalten eines als l·'i.ivtanistromquellc geschalteten Transistors in die l-iüiiter/uleitung eines Transistors oder in die gei.v: nsame F.mitterzuleilung zweier Transistoren von j).:.erenzverstärkcrn her an sich bekannt.; ine further reduction of Widerstandsbcdarl's ^cl. criindungsgemäßen circuit arrangement can ir achieved in that in the embodiment l.. ^: .;: ': the working resistance d.-rch replaces a T _rnns j _stor connected as j: -lantstromciuelle i The tranig ir connected as constant current source is consequently in the emitter- ■ <c.; c \ lung of the or the more complementary. Additional trans. _; -o; -en. From a purely formal point of view, the switching on of a transistor, which is connected as an electrical current source, into the line of a transistor or into the corresponding transmitter distribution of two transistors is known per se from the amplifier.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen iü;J Weiterbildungen werden nun im Zusammenhang m:i den weiteren in der Zeichnung dargestellten I-iguren näher erläutert und beschrieben und sind in den Untcransprüchen gekennzeichnet.The invention and advantageous refinements iü; J developments will now be discussed in connection m: i the other I-figures shown in the drawing are explained and described in more detail and are in marked the contradictions.

F i g. 2 zeigt die erh'ndungsgemäße bistabile FHp-I-iop-Schaltung; F i g. 2 shows the bistable FHp-I-iop circuit according to the invention;

F i i_. 3 zeigt die bereits erwähnte Weiterbildung der erfindungsgemäßen bistabilen Flip-Flop-Scholtung;F i i_. 3 shows the already mentioned development of bistable flip-flop circuit according to the invention;

F i g. 4 zeigt die Weiterbildung nach Fig. 3, erweitert durch eine der eingangs erwähnten Anstcuerschaltungen. F i g. 4 shows the development according to FIG. 3, expanded by one of the control circuits mentioned at the beginning.

Die in ^pig. 2 gezeigte erfindungsgemäße bistabile Flip-Flop-Schaltuiig besteht aus den beiden Schaltiransistorcn 71 und T2, deren Emitter mit dem Schallungsnullpunkt verbunden sind. D'c Basen und die Kollektoren der beiden Schalttransistorcn sind kreuzweise miteinander verbunden, so daß sich die für das Arbeiten als bistabile Flip-Flop-Schaltung nötige Rückkopplung ergibt. Die bei bekannten Schaltungen üblicherweise vorgesehenen beiden Widerstände R\ und R2 (vgl. Fig. 1) sind nun in crfinduiigsgemäßcr Weise durch die Sendeschaltung des Arbeitswidersatndcs R und des zu den Schalttransistoren komplementären Zusatztransistors 73 ersetzt. Hierbei liegt der Wideistand R einerseits an der Betriebsspannung und andererseits am Emitter des Zusatztransistors 73, während der Kollektor des Zusatztransistors 73 nrt dem Kollektor des einen Schalttransistors 71 und die Basis des Zusatztransistors 73 mit dem Kollektor des anderen Schalttransistors 72 verbunden ist. Der Alisgangsimpuls wird an einem der Kollektoren der Schalttransistoren abgenommen.The in ^p ig. 2 shown bistable flip-flop circuit according to the invention consists of the two Schaltiransistorcn 71 and T2, whose emitters are connected to the zero point. The bases and the collectors of the two switching transistors are cross-connected to one another, so that the feedback necessary for working as a bistable flip-flop circuit results. The usually provided in the known circuits the two resistors R \ and R2 (see. Fig. 1) are now replaced in crfinduiigsgemäßcr manner by the transmitting circuit of the Arbeitswidersatndcs R and complementary to the switching transistors additional transistor 73. Here, the Wideistand R is connected on the one hand to the operating voltage and on the other hand to the emitter of the additional transistor 73, while the collector of the additional transistor 73 is connected to the collector of one switching transistor 71 and the base of the additional transistor 73 is connected to the collector of the other switching transistor 72. The output pulse is picked up at one of the collectors of the switching transistors.

Das Überraschende und Neue der erfindungsgemäßen Schaltung besteht also darin, daß die sonst bei bistabilen Πϊρ-Flop-Schaltungen übliche Symmetrie des Aufbaus jeder Flip-Flop-Hälfte verlassen ist und trotzdem das bistabile Verhalten dadurch nicht verlorengeht.The surprising and novelty of the circuit according to the invention is that the otherwise common symmetry in bistable Πϊρ-flop circuits of the structure of each flip-flop half is left and the bistable behavior is still thereby is not lost.

Die Wirkungsweise der Schalfing nach Fig. 2 sei im folgenden kurz erläutert. Im einen Schaltzustand sind die Transistoren 72 und 73 durchgesteuert, während Transistor 71 gesperrt ist. Somit Hießt derThe mode of operation of the Schalfing according to FIG. 2 is assumed briefly explained below. In one switching state, the transistors 72 and 73 are turned on, while transistor 71 is blocked. So it is called

Kollektorstrom des einen der beiden Transistoren 72 und 73 in die Basis des anderen. Im anderen stabilen Schaltzustand ist Transistor 71 durchgesteuert und erhält seinen Basisstrom über die Basis und seinen Kollektorstrom über den Kollektor des Zusatztransistors 73, während der Schalttransistor 72 gesperrt ist. Zusätzlich zur erwähnten Möglichkeit der Abnahme des Ausga.igsimpulses am Kollektor jedes Schrlttransistors kann bei dieser Schaltung der Ausgangsimpuls auch am Emitter des Zusatztransistors 73 abgenommen werden.Collector current of one of the two transistors 72 and 73 into the base of the other. In the other stable Switching state is turned on transistor 71 and receives its base current via the base and its Collector current via the collector of the additional transistor 73, while the switching transistor 72 is blocked is. In addition to the mentioned possibility of taking the output pulse at the collector each With this circuit, the output pulse can also be sent to the emitter of the additional transistor 73 can be removed.

Zur Verbesserung der Betriebssicherheit dieser Schaltung ist es besonder? zweckmäßig, wenn die Stromverstärkung des Zusa^ transistors 73 kleiner ist als die des Schalttransistors 71. Diese Forderung läßt sich bei monolithischer Realisierung der erfindungsgemäßen Flip-Flop-Schaltung leicht dadurch erreichen, daß als Schalttransistcren npn-Transistorstrukiuren und für den Zusatztransistor 73 eine laterale pnp-Transistorstruktur verwendet werden.Is it special to improve the operational safety of this circuit? useful if the Current gain of the Zusa ^ transistor 73 is smaller than that of the switching transistor 71. This requirement can be met with monolithic implementation of the inventive Flip-flop circuit can easily be achieved by using npn transistor structures as switching transistors and a lateral pnp transistor structure can be used for the additional transistor 73.

Während die erfindungsgemäße bistabile Flip-Flop-Schaltung nach Fig. 2 in >hrer Gesamtheit einen unsymmetrischen Aufbau aufweist und somit der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand R abhängig vom Schaltzustand des Flip-Flops ist, zeigt die F i g. 3 eine symmetrisch aufgebaute Flip-Flop-Schaltung unter Anwendung der der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis. Hierbei ist die Schaltung nach F i g. 2 durch einen weiteren komplementären Zusatztransistor 74 ergänzt, wobei dessen Emitte.· mit demWhile the bistable flip-flop circuit according to the invention according to FIG. 2 in its entirety has an asymmetrical structure and thus the voltage drop across the load resistor R is dependent on the switching state of the flip-flop, FIG. 3 shows a symmetrically constructed flip-flop circuit using the knowledge on which the invention is based. The circuit according to FIG. 2 supplemented by a further complementary additional transistor 74, its emitter. · With the

Emitter des ersten Zusatztransistors 73 und mit dem Arbeitswiderstand R verbunden ist, wobei ferner dessen Basis mit dem Kollektor des einen Schalttransistors 71 und dessen Kollektor mit dem Kollektor des anderen Schalttransistors 72 verbunden ist. Bei dieser Schaltung sind ertweder die Transistoren 71 und 74 oder die Transistoren 72 und 73 durchgesteuert bzw. gesperrt. Über den Arbeitswiderstand R fließt in jedem stabilen Schaltzustand die Summe aus dem Kollektor- und Basisstrom eines der beiden Schalttransistoren 71 oder 7'2 Daher ist der Spannungsabfall am Arbeitswiderstand R annähernd konstant, se daß diese Schaltungsvariante mit einer etwas geringeren Betriebsspannung auskommt als die Schaltung nach F i g. 2.Emitter of the first additional transistor 73 and is connected to the load resistor R , with its base also being connected to the collector of one switching transistor 71 and its collector to the collector of the other switching transistor 72. In this circuit, either the transistors 71 and 74 or the transistors 72 and 73 are turned on or blocked. About the load resistor R, the sum of the collector and base current flows in any stable switching state of the two switching transistors 71 or 7'2 Therefore, the voltage drop across the load resistance R is approximately constant, se that this circuit variant with a somewhat lower operating voltage manages as the circuit of F i g. 2.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis, jede Flip-Flop-Stufe nur mit einem einzigen Arbeitswiderstand zu verschen, läßt sich auch vorteilhaft bei mehreren zu einer Frcqucnzteilcrkctte zusammengcschaltctcn Flip-Flop-Stufcn anwenden. Im FalleThe knowledge on which the invention is based, each flip-flop stage with only a single working resistor To give away, can also be advantageous if several are interconnected to form a frequency divider Use flip-flop stages. In the event of

^C5 der Schaltung mit zwei Zusatztransistoren lassen sich insbesondere mehrere Flip-Flop-Stufen an einem einzigen Arbeitswiderstand betreiben, wodurch sich hinsichtlich der FlächenausnuUung des Ilalbleiterplättchens noch günstigere Verhältnisse ergeben. ^C 5 of the circuit with two additional transistors, in particular, several flip-flop stages can be operated on a single working resistor, which results in even more favorable conditions with regard to the surface area of the semiconductor plate.

In F i g 4 ist die Schaltung nach F i g. 3 mit sämtlichen zum Umschalten vom einen in den anderen stabilen Zustand zweckmäßigen Schaltelementen gezeigt. Wie eingangs bereits erwähnt, ist zu den Kollektor-Emittcr-Strecken der Schalttransistoren 71 und 72 jeweils die Kollektor-Emitter-Streckc eines Steuertransistors 721 und 722 gleichen Leitungstyps parallel geschaltet. Jede Basis der Steuertransistoren liegt über eine Kapazität Dl, D 2 am StcuereingangS.FIG. 4 shows the circuit according to FIG. 3 with all shown for switching from one to the other stable state useful switching elements. As already mentioned at the beginning, the switching transistors 71 are associated with the collector-emitter paths and 72 each the collector-emitter path of a control transistor 721 and 722 of the same conductivity type connected in parallel. Each base of the control transistors is connected to the control input S via a capacitance D 1, D 2.

Diese Kapazitäten bestehen bei monolithischer integrierung üblicherweise aus der Kapazität eines pn-Überganges.In the case of monolithic integration, these capacities usually consist of the capacity of one pn junction.

Die Zusatztransistoren sind in Fig. 4 mit 741 und 742 bezeichnet. Ferner sind noch die Hilfstransistoren 731 und 732 eingezeichnet, die dafür sorgen, daß während des Umschaltens die Information über den bisherigen Schaltzustand in den Eingangskapazitäten gespeichert bleibt. Die Hilfstransistoren sind zu den Steuer- und Schalttransistoren komplementär, besitzen also denselben Leitfähigkeitstyp wie die Zusatztransistoren 741 und 742. The additional transistors are denoted by 741 and 742 in FIG. 4. There are also the auxiliary transistors 731 and 732, which ensure that the information remains stored in the input capacities via the previous switching status. The auxiliary transistors are complementary to the control and switching transistors, i.e. have the same conductivity type as the additional transistors 741 and 742.

Die Kollektor-Emitter-Strecke jedes Hilfstransistors 731, 732 ist der Basis-Kollektor-Strecke des Steuertransistors parallel geschaltet, und zwar derart, daß der Emitter des Hilfstransistors am Kollektor des Steuertransistors angeschlossen ist, während der Kollektor des Hilfsiransistors an der Basis des Steuertransistors liegt.The collector-emitter path of each auxiliary transistor 731, 732 is the base-collector path of the control transistor connected in parallel in such a way that the emitter of the auxiliary transistor at the collector of the Control transistor is connected, while the collector of the auxiliary transistor is connected to the base of the control transistor lies.

Die Basis des Hilfstransistors ist mit der Basis des derselben Flip-Flop-Hälfte angehörenden Schalttransistors, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Widerstandes, verbunden.The base of the auxiliary transistor is connected to the base of the switching transistor belonging to the same flip-flop half, possibly with the interposition of a resistor connected.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen bistabilen Flip-Flop-Schaltung ist darin zu sehen, daß bei sonst gleichen Eigenschaften der Arbeitswiderstand R um den Faktor 2 bis 4 kleiner sein kann als die Summe der Widerstände bei bisher bekannten Flip-Flop-Schaltungen. Bei monolithischer Integration wird daher wesentlich weniger Kristallfläche benötigt. Wenn ausschließlich die aktiven Bauelemente der Flip-Flop-Schaltung integriert werden, benötigt die integrierte Schaltung keinen zusätzlichen Anschluß für den Arbeitswiderstand, da das eine Ende des Arbeitswiderstandes an Betriebsspannung liegt. So ist es beispielsweise möglich, mittels der erfindungsgemäßen bistabilen Flip-Flop-Schaltung einen siebenstufigen Frequenzteiler aufzubauen, der lediglxh zehn äußere Ar.Tclilüsse benötigt, nämlich je einen für den Sclialtungsnullpunkt, den Steuereingang und den Steuerausgang sowie für die sieben Arbeitswiderstände der einzelnen Flip-Flop-Stufen.The advantage of the bistable flip-flop circuit according to the invention is that, with otherwise identical properties, the load resistance R can be a factor of 2 to 4 smaller than the sum of the resistances in previously known flip-flop circuits. With monolithic integration, therefore, significantly less crystal surface is required. If only the active components of the flip-flop circuit are integrated, the integrated circuit does not need an additional connection for the load resistor, since one end of the load resistor is connected to the operating voltage. For example, it is possible to use the bistable flip-flop circuit according to the invention to set up a seven-stage frequency divider that requires only ten outer arcs, namely one each for the circuit zero point, the control input and the control output, as well as for the seven load resistances of the individual flip-flops. Flop Levels.

Fine weitere Einsparung an benötigten äußeren Anschlüssen läßt sich mit der bereits erwähnten Weiterbildung der Erfindung erreichen, bei derFurther savings on the required external connections can be made with the one already mentioned Achieve development of the invention in which

ίο mehrere Flip-Flop-Stiifen an einen einzigen Arbeitswiderstand angeschlossen sind. Wird beispielsweise der erwähnte siebenstufige Frequenzteiler mit einem einzigen Arbeitswiderstand betrieben, so kann ein von Transistoren her bekanntes und übliches vicr-ίο multiple flip-flop pins on a single working resistor are connected. If, for example, the mentioned seven-stage frequency divider with a operated with a single working resistor, then a conventional vicr-

t5 poliges Gehäuse verwendet werden.t5-pin housing can be used.

Im Falle der Verwendung von als Konstantstromquellen geschalteten Transistoren als Ersatz für den oder die Arbeitswiderstände und bei Integrierung dieser Transistoren, jedoch äußerer Zuschaltung desIn the case of using transistors connected as constant current sources as a replacement for the or the load resistances and with the integration of these transistors, but external connection of the

ao den Konstantstrom bestimmenden Vorwiderstandes ergibt sich der weitere Vorteil, daß durch Wahl des Widerstandswertes dieses Vorwiderstandes die Frequenzteilerkette oder auch die einzelne Flip-Flop-Srhaltung an den unterschiedlichsten Betriebsspannutigen angeschlossen werden kann. Als Beispiel seien etwa die folgenden Betriebsspannungen genannt 1,5-V-MOnO^eIIe einer elektronischen Armbanduhr 6- oder 12-V-Boidnetz eines Kraftfahrzeuges zurr Betrieb eine; elektronischen Autouhr, 30- bis 50-V Betriebsspannung elektronischer Orgeln.ao the constant current-determining series resistor results in the further advantage that by choosing the Resistance value of this series resistor, the frequency divider chain or the individual flip-flop retention can be connected to a wide variety of operating voltages. As an an example the following operating voltages may be mentioned, for example, 1.5 V MOnO ^ eIIe of an electronic wristwatch 6- or 12-V boid network of a motor vehicle Operation one; electronic car clock, 30 to 50 V operating voltage for electronic organs.

Der Hersteller von integrierten bistabilen Flip Flop-Schaltungen nach der Erfindung ist also in dei Lage, ein universell verwendbares Bauelement anbieten zu können, das auf Grund der großen zi erwartenden Stückzahlen auch in preislicher Hinsich günstig disponiert werden kann.The manufacturer of integrated bistable flip-flop circuits according to the invention is therefore in dei Able to offer a universally usable component, which due to the large zi expected numbers of items can also be budgeted in terms of price.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Monolithically integrable bistable flip-flop circuit with two switching transistors, in particular for frequency dividers, the emitters of which are at the circuit zero point, the bases and collectors of which are each cross-connected and the collectors of which are each connected to the operating voltage via a resistor, characterized in that the two resistors (Rl, R2) are replaced by the Scricnjchaltung a single lying on operating voltage load resistor (R) and a kompler ^ ° ntären Zusatztrapsistors (73) in such a sin L that the emitter of the additional transistor to the load resistor, the collector of the auxiliary transistor connected to the collector one (71) of the two switching transistors and the base of the additional transistor is connected to the collector of the other (72) of the two switching transistors.

2. Flip-FIop circuit according to claim 1, characterized in that the current gain of the additional transistor (73) is smaller than that of the one switching transistor (Tl).

3. Flip-riop circuit according to claim 2, characterized marked because "the additional transistor (73) ordered from a lateral pnp transistor structure for monolithic integration. 3 "

4. Flip-flop circuit according to one of the Anipriiche 1 to 3, characterized in that a! Further complementary additional transistor (T 4) is provided in this way. that its emitter is connected to the emitter of the first additional transistor (73), that its base is connected to the collector of one (Tl) of the two switching transistors and that its collector is connected to the collector of the other (T2) of the two switching transistors.

5. flip-flop circuit according to one of the An 4c • priiche 1 to 4, characterized in that the working resistance (R), as known in other connection with differential amplifiers, is replaced by a transistor connected as a constant current source.

6. flip-flop circuit according to one of the An-Iprüchc 1 to 5, characterized in that the Kollcktor-Hmitter-Streckc each switching transistor <lie Koliektor-Emitter-Streckc a Stcucrtranlistors (721, 722) of the same line type is connected in parallel that each base of the Stcucrtransistors ago a capacitance (Dl, Dl) to a Stcuei-. input (S) is connected so that each base line circuit of the plug-in transistors, the collector-emitter line of an auxiliary transistor (731, 732) is connected in parallel in such a way that the connector of the auxiliary transistor is connected to the collector of the plug-in transistor and that the base of each auxiliary transistor is connected to the base of the switching transistor of the same flip-flop half.

7. Frequency divider using bistable flip-flop pins according to one of the claims 4 to fi, characterized in that several flip-flop stages have a common Have work resistance.

The invention relates to a monolithically integrable bistable flip-flop circuit with two shahs transistors whose emitters are at the circuit zero point, their bases and collectors above Cross connected to each other and their collectors each via a resistor to operating voltage are connected.

Such a flip-flop circuit is shown in FIG. 1, the two switching transistors being denoted by 71 and 72 and the two resistors denoted by R 1 and R 2. It should be pointed out that only the components necessary for the two switching states are shown in FIG a whole range of different control circuits can be operated.

Let us just refer to a control circuit that is expedient in monolithically integrated flip-flop circuits referenced, in which the collector-emitter paths of the switching transistors each have the collector-emitter path a control transistor is connected in parallel. The bases of these control transistors will be then the control voltage for switching the flip-flop circuit is supplied via input capacitors.

In this type of control circuit, a so-called preparatory component is also present, such as a resistor interconnecting the base and collector of the control transistor according to French patent specification 1 548 137.

When designing such a monolithically integrable bistable flip-flop circuit with a view to the lowest possible noise absorption, as is required by some applications, this requirement can only be met by making the resistors Rl and Rl as high-resistance as possible. In monolithic integrated circuits, however, high-value resistors take up a disproportionately large amount of space on the semiconductor plate, so that efforts are made to avoid high-value resistances as far as possible and, where this is not possible, to reduce their number.

The problem of high resistance is particularly significant when it fails such bistable flip-flop circuits a multistage frequency control is interconnected, with the frequency of a crystal oscillator in the kHz or MHz range to frequencies im Range should be reduced by a few Hz.

In the case of such frequency dividers formed in a single semiconductor die, the area of the high.)! Imigcn resistors a very considerable part of the available space. the The object of the invention is therefore to specify a flip-flop circuit whose resistance requirements significantly reduced aesthetics.

This task is carried out by the monolithically integrable bistable which was identified in more detail at the beginning Flip-flop circuit solved in that the two resistors by the series connection of a single working resistance lying at the operating voltage and a complementary additional transistor in such a way are replaced that the emitter of the additional transistor with the load resistor, the collector of the additional transistor with the collector of one of the two switching transistors and the base of the additional transistor with the collector of the other of the two switching