Brevet FR2595520A1 — publié le 19870911

COMPTEUR BINAIRE ELEMENTAIRE, COMPTEUR BINAIRE SYNCHRONE ET DIVISEUR DE FREQUENCE METTANT EN OEUVRE CE COMPTEUR ELEMENTAIRE La présente invention concerne un compteur binaire synchrone, ainsi qu'un synthétiseur de fréquence qui est obtenu à partir du compteur binaire, en lui faisant diviser sa propre fréquence d'horloge, et en n'utilisant que la dernière sortie du compteur. Le compteur selon l'invention peut être mis en oeuvre de nombreuses façons, sous forme de composants discrets ou de circuits intégrés, en utilisant des transistors bipolaires ou des transistors à effet de champ, mais il est surtout intéressant dans le domaine des hyperfréquences, sous forme de circuit intégré sur des matériaux rapides, tels que GaAs ou les autres matériaux du groupe 111-V. Il existe plusieurs moyens pour réaliser des compteurs binaires, dont le plus simple est de cascader des diviseurs par 2. Mais pour les divisions de rapports élevés, les derniers étages doivent être très stables, en raison des périodes de plus en plus longues. Or les bascules statiques qui sont utilisées dans l'art antérieur ne sont pas toujours suffisamment stables. Le compteur binaire synchrone selon l'invention peut être réalisé avec des bascules statiques, mais également avec des bascules dynamiques, plus rapides, consommant moins et nécessitant moins de composants, ce qui est intéressant pour l'intégration. Mais l'intérêt du circuit de compteur selon l'invention est de fonctionner avec un seul signal d'horloge de fréquence élevée, donc d'être beaucoup plus stable. Plus exactement, les deux signaux d'horloge qui actionnent le compteur sont les deux signaux complémentaires d'une seule horloge: il n'y a donc aucun décalage entre eux, puisqu'ils sont issus d'un seul signal d'horloge. Le compteur binaire selon l'invention comporte une pluralité d'étages identiques entre eux, montés en cascade. Chaque étage constitue un compteur élémentaire, composé d'un demi-additionneur et d'une bascule maitre-esclave connectée sur la sortie "somme" du demi-additionneur. L'une des entrées du demi-additionneur constitue l'entrée du compteur élémentaire. L'autre entrée du demi- additionneur est réunie à la sortie de la bascule esclave, qui constitue également la sortie du compteur élémentaire. La sortie "retenue" du demiadditionneur constitue l'entrée de l'étage suivant dans le compteur synchrone. De façon plus précise, l'invention consiste en un compteur binaire élémentaire, à une seule sortie, comportant un demi- additionneur ayant deux entrées, une sortie "somme" et une sortie "retenue", comportant également une bascule maitre-esclave, ce compteur élémentaire étant caractérisé en ce que: - la première entrée du demiadditionneur constitue l'entrée du compteur élémentaire, - la sortie "somme" du demi-additionneur est connectée sur l'entrée de la bascule maitre, - la sortie de la bascule esclave, qui constitue la sortie binaire du compteur, est connectée à la seconde entrée du demi- additionneur, - les bascules maitre et esclave étant de plus commandées par un unique signal d'horloge, dont une forme est appliquée à la bascule maitre, et dont la forme complémentaire est appliquée à la bascule esclave. L'invention sera mieux comprise, et ses avantages ressortiront de la description suivante d'un compteur binaire synchrone, et d'une application à un synthétiseur de fréquence, en conjonction avec les figures annexées qui représentent: - figure 1: schéma de base de diagramme de blocs d'un compteur selon l'invention - figure 2: schéma électrique d'un demi-additionneur, utilisé dans un compteur selon l'invention, figure 3: schéma électrique d'une bascule maitre-esclave, utilisée dans un compteur selon l'invention, - figure 4: schéma en diagramme de blocs d'un compteur synchrone selon l'invention. La figure I donne le schéma de base d'un compteur binaire selon l'invention. Ce schéma comporte trois étages, dans le seul but de ne pas compliquer la figure, mais ceci ne limite en rien la portée de l'invention: le nombre N d'étages est lié au nombre 2N à compter. Dans ce compteur, chaque étage constitue un compteur élé- mentaire, composé d'un demi-additionneur Ai et d'une bascule maitre esclave Mi-Ei, actionnée par les signaux complémentaires d'une unique horloge. On appellera HM celui de ces signaux qui commande la bascule maitre, et HE=HM celui qui commande la bascule esclave. Un demi-additionneur est constitué par une porte OU exclusif et une porte ET en parallèle: les signaux B et C à additionner sont adressés sur les deux entrées du OU et sur les deux entrées du ET: la sortie S du OU donne la somme, et la sortie R du ET donne la retenue. Chaque compteur élémentaire comporte donc un demi- additionneur Ai, dont la sortie "somme" Si est recopiée par une bascule maitre-esclave MiEi, dont la sortie Qi est rebouclée sur une entrée Ci du demi-additionneur Ai. L'autre entrée Bi du demi- additionneur Ai constitue l'entrée de l'étage bu compteur élémen- taire. La sortie Qi de la bascule esclave Ei constitue la sortie de l'étage. La sortie de retenue Riest adressée à l'entrée de l'étage suivant dans la cascade. Dans un schéma tel que celui de la figure 1, toutes les sorties QI' Q2' Q3 sont utilisées si le circuit est utilisé en compteur binaire. Seule la dernière sortie Q3 est utilisée si le circuit est utilisé en diviseur de fréquence. La table de vérité d'un demi-additionneur est la suivante B C S R 1 0 1 O O 1 1 O 1 1 0 1 La bascule maitre-esclave recopie le signal de somme Si pour le restituer en Qi au cycle d'horloge suivant. Pendant le temps o la bascule esclave est lue, on a les relations: - pour le ler étage: Qi=Cl 51=Bl1(Cl=BiGQ1 (OU exclusif) R =Bi-C=B1.Q-=B2 (ET logique) - pour le 2e étage: Q2=C2 S2 B2( 2C2 =RI (Q2 R2=B2.C2=R 1.Q2=B3 - pour le 3e étage: Q3=C3 S3=B3G) C3=R2( Q3 R3=B3C3=R2.Q3 Au cycle d'horloge suivant, on a de nouvelles valeurs en sorties: Q'1 recopie S1 Q'2 recopie S2 Q'3 recopie 53 I1 suffit de remplacer Q1' Q2' Q3 par Q'I' Q'2' Q'3 dans les relations précédentes pour avoir de nouvelles valeurs: S 1=B1(35 1 parce que Q1 est devenu Q'1=S 1 BS '2=R'1S2 parce que R1 est devenu R'1 R 2=R' i.s2 et Q2 est devenu Q'2=S2 S'3=R'20)S3 par raisonnement analogue R' 3=R'2S 3 259552( Deux cas sont possibles. Si B1=0 logique, d'après la table de vérité d'un demi-additionneur logique, on a: S'i=S1 S'2=S2 S'3=S3 R'1=0 R'2=0 R'3=0 et le compteur reste dans un état identique à l'état qu'il avait auparavant, toutes les entrées B1 et Riétant à O logique. Si B1=1 logique: R'1=S1 R'1 =S1 R' -R' S si5'2=R'1e OS2=S10 3S2 R'2 =RI'. 2=SlS2 etc... Le premier étage a changé de valeur et le compteur-a progressé d'une unité. La progression du compteur ressort du tableau suivant, établie pour un compteur à trois étages. En prenant B1=1 logique et comme position de départ Q1=Q2=Q3=0, on calcule Si, R1, S2, R2, S3, R3 à l'aide de la table de vérité d'un demi-additionneur. Au cycle suivant, Q1 recopie S, Q2 recopie S2' Q3 recopie S3: on calcule R1,R2, R3 et ainsi de suite, à chaque cycle. Si B1=0 logique, le compteur garde sa dernière valeur et ne change pas. Cycle B1 Q1 I R1 Q2 52 R2 Q3 3 R3 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 /1 0 1 0 /0 0 2 1 1 0 1 1 0 0 0 0 3o I/ o.o 3 1 i / 1 0 1 0 1 0 4 1 o 1 o /'o o 11 o 4 1 1z0 1 0 0 1 0 1 1 0 6 I 0 i1 0 1 1 0 7 1 0 1 1 0 1 8 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 Dans ce tableau, les cadres regroupent les entrées et les sorties 'd'un même compteur élémentaire, ou étage. Les flèches rappellent que la sortie Qi' à un cycle donné, recopie la sortie Si au cycle précédent. La lecture du compteur se fait sur les sorties -Q1, Q2' Q3 des bascules maitre-esclave. Par exemple, au sixième cycle, on a: Q1=0 poids 0, coefficient 0 Q2=1 poids 1, coefficient 1 Q3=1 poids 2, coefficient 1 ce qui donne un nombre: N=O.20+1.21 +1.22=6 Un compteur selon l'invention, formé de N étages ou comp- teurs élémentaires montés en cascade, peut compter jusqu'à 2. Ce compteur a en outre l'avantage de disposer de signaux de synchronisation, constitués par la sortie "retenue" RN du dernier étage: cette sortie n'est pas adressée à un étage suivant, mais son application sera détaillée au cours des figures suivantes. La synchro- nisation est indispensable pour les remises à zéro automatiques et pour réaliser un diviseur de fréquence programmable. Le compteur selon l'invention, dont le fonctionnement vient d'être exposé, peut être réalisé avec n'importe quel type de demi- additionneurs et de bascules maitre-esclave, mais les figures 2 et 3 en donnent deux schémas d'applications particulièrement inté- ressants, si les transistors sont des transistors à gaz d'électrons bidimensionnel, et si les résistances de charges sont des charges saturées, c'est-à-dire des transistors sans grilles. La figure 2 donne le schéma électrique d'un demi-additionneur. Celui-ci comporte deux entrées B et C, et deux sorties "somme" S et "retenue" R. Cet additionneur est constitué par 8 transistors, connectés en parallèle, sources à la masse -si ce sont des transistors à effet de champ- et dont les drains sont alimentés par une tension VDD à travers des résistances de charges. La fonction ET est assurée par deux inverseurs 1 et 2, et par un OU inverseur, qui est donc un NOR. Le signal B est adressé sur la grille de l'inverseur 1, dont le drain délivre le complément B à la grille du transistor 3 du NOR. Le signal C est adressé sur la grille de l'inverseur 2, dont le drain délivre le complément C à la grille du transistor 4 du NOR. Le signal de sortie du NOR est donc: B + C = B.C fonction ET adressé sur la sortie R du demi-additionneur. La fonction OU exclusif est assurée par deux OU inverseurs, qui sont donc deux NOR. Les signaux B et C sont adressés, respectivement, sur les grilles de deux transistors 5 et 6 montés en un premier NOR, dont la sortie est donc B+C. Enfin, le signal B+C provenant de la fonction ET et le signal B+C provenant du premier NOR sont adressés, respectivement, sur les grilles de deux transistors 7 et 8 montés en un second NOR. Le signal "somme" est prélevé sur les drains du second NOR, et le signal "retenue" est prélevé à la sortie du ET. On a bien: S = B + C B+ C= (B+C).(B+ C) (OU exclusif) R =B + C B.C (ET) La figure 3 donne le schéma électrique d'une bascule maitre- esclave, munie d'une entrée de forçage R/S (Reset-Set) synchronisée avec l'horloge HM. La bascule maitre est composée par deux transistors 11 et 12, montés en parallèle, à deux grilles, sources à la masse et drains reliés ensemble. La grille côté source du transistor Il constitue l'entrée S de la bascule maitre: elle est réunie à la sortie S du demi-additionneur de la figure 2. La grille coté drain du transistor 11 est commandée par le signal de sortie d'une porte OU inverseuse, formée par deux transistors 15 et 16: la grille de l'un est commandée par le signal d'horloge HM, et la grille de l'autre est commandée par le signal de synchronisation SYN, qui est la retenue RN du dernier étage du compteur (voir fig. 4). La grille côté drain du transistor 11 est donc commandée par un signal de forme: HM + SYN La grille côté source de transistor 12 constitue l'entrée de forçage R/S. La grille côté drain du transistor 12 est commandée par le signal de sortie d'une porte OU inverseuse, formée par deux transistors 17 et 18: la grille du transistor 17 est commandée par le signal cdhorloge HM, et la grille du transistor 18 est commandée, à travers un inverseur 19, par le signal de synchronisation SYN. La grille côté drain du transistor 12 est donc commandée par un sginal de forme: HM+ SYN soitHM À SYN Les transistors 11 et 12 sont donc alternativement conducteurs. La bascule esclave est composée d'un transistor 13, à deux grilles, source à la masse et dont le drain constitue la sortie Q de la bascule maitre-esclave. Dans le schéma de la figure 1, le point Q est rebouclé sur l'entrée C du demi-additionneur, à chaque étage. La grille côté source du transistor 13 est commandée par le signal issu de la bascule maitre, c'est-à-dire prélevé sur les drains des transistors 11 et 12. La grille côté drain du transistor 13 est commandée par le signal d'horloge HE, complémentaire de HM, à travers un inverseur constitué par un transistor 14. Bien entendu, pour le demi-additionneur comme pour la bascule maitreesdclave, tous les transistors sont convenablement alimentés à partir d'une source VDD, à travers des résistances de charge, mais comme cela est évident, il est inutile de détailler la polarisation, qui peut changer si les transistors utilisés ne sont pas à effet de champs mais bipolaires. La figure 4 donne le schéma en diagramme de blocs d'un compteur binaire synchrone ou d'un synthétiseur de fréquence: le passage de l'un à l'autre ne nécessite qu'une petite modification qui sera exposée plus loin. Ce schéma est plus complet que celui de la figure 1. Comme dans cette précédente figure, le compteur comporte plusieurs étages en cascade. Dans chaque étage, le demi- additionneur A. possède deux entrées B. et Ci et deux sorties "somme" Si et "retenue" Ri. Chaque bascule maitre-esclave possède i i deux entrées Siet de forçage R/S, une sortie Qi et trois entrées de commande HM, HE (=:IM) et SYN. Au sein d'un étage, la sortie S de l'additionneur nourrit l'entrée de la bascule, et la sortie Q de la bascule est rebouclée sur l'entrée C de l'additionneur. Entre deux étages, la sortie RN-1 d'un étage est cascadée avec l'entrée BN de l'étage suivant. Les commandes HM, HE et SYN sont en fait reliées ensemble, chacune dans sa catégorie. Dans le fonctionnement de ce circuit en compteur binaire synchrone, l'entrée B est l'entrée du circuit pour le nombre à compter, les entrées de forçage R/S1...R/SN sont mises à la masse, la sortie RN du dernier étage est inutilisée. Les sorties du compteur sont les sorties Q1..QN des étages. Le compteur peut être remis à zéro chaque fois qu'un signal 1 logique commande la synchronisation SYN. Dans le fonctionnement de ce circuit en diviseur program- mable, l'entrée B1 est fixée au niveau 1 logique, les entrées de forçage R/S1...R/SN sont activées -elles ne sont plus à la masse comme dans le cas précédent- et la sortie RN du dernier étage est reliée aux entrées de synchronisation SYN -en trait pointillé sur la figure 4-. Le circuit divise sa propre fréquence d'horloge, sortie sur la seule borne QN' Si on reprend le tableau de progression établi précédemment, au cycle 7 pour lequel R3=l -pour un compteur à 3 étages bien entendu- on a deux cas: - si R/S1=R/S2=R/S3=0, la bascule maitre n'est pas forcée: R3 Q1 Q2 Q3 Cycle 7 1 I I 1 Cycle 8 0 0 0 0 Le cycle 8 est identique au cycle 0: le diviseur divise par 8. - si R/51=l, R/S2=R/S3=0, la bascule maitre M1 est forcée R3 Q1 Q2 Q3 Cycle 7 1 I I 1 Cycle 8 0 1 0 0 Le cycle 8 est identique au cycle 1: le diviseur, qui a une période de 0 7, divise par 7. De façon plus générale, si N est le nombre d'étages d'un circuit diviseur, et si P est le nombre binaire (0 bu 1) de la commande de forçage R/S, le diviseur de fréquence selon l'invention divise dans le rapport 2NP. Ce type de compteur est d'un emploi très général, et il fonctionne dans une large gamme de fréquences. Cependant, il a été étudié plus spécifiquement en vue d'être intégré, pour des appli- cations dans les domaines de traitements de données en hyper- fréquences. il REVENDICATIONS 1. Compteur binaire élémentaire, à une seule sortie, compor- tant un demi-additionneur (A1) ayant deux entrées (BiCi), une sortie "somme" (S1) et une sortie "retenue" (R1), comportant éga- lement une bascule maitre-esclave (M1 E1), ce compteur élémen- taire étant caractérisé en ce que: - la première entrée (B1) du demiadditionneur (A1) constitue l'entrée du compteur élémentaire, - la sortie "somme" (S1) du demi-additionneur (A1) est connectée sur l'entrée de la bascule maitre (M), - la sortie "retenue" (R1) du demi-additionneur (A1) fournit un signal utilisé à l'entrée d'un autre compteur si une pluralité de compteurs sont montés en cascade, - la sortie (QI) de la bascule esclave (E1), qui constitue la sortie binaire du compteur, est connectée à la seconde entrée (C1) du demi-additionneur (A1), - les bascules maitre (M1) et esclave (E1) étant de plus commandées par un unique signal d'horloge, dont une forme (HM) est appliquée à la bascule maitre (M1), et dont la forme complémentaire (HE = HM) est appliquée à la bascule esclave (E1). 2. Compteur binaire, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de compteurs binaires élémentaires selon la revendication 1, montés en cascade, la sortie "retenue" (R1) cPd'un demi- additionneur (A1) étant connectée sur la première entrée (B2) du demiadditionneur suivant dans la cascade, les sorties (Q1, Q2' Q3) des compteurs élémentaires constituant les sorties binaires du compteur. 3. Compteur binaire synchrone, selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour chaque compteur élémentaire la bascule maitre (M1), possède deux entrées synchronisées par deux signaux d'horloge (HM) et de synchronisation (SYN), la première entrée (S1) étant connectée à la sortie "somme" du demi-additionneur du compteur élémentaire, la deuxième entrée constituant l'entrée de forçage (R/S 1) de la bascule maitre (M1). 4. Compteur binaire synchrone-selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la remise à zéro se fait au moyen d'un signal 1 logique sur l'entrée de synchronisation (SYN). 5. Diviseur de fréquence programmable, caractérisé en ce qu'il est constitué par un compteur binaire selon la revendication 3, dont l'entrée (Bl) est maintenue au niveau 1 logique, dont la sortie "retenue (RN) du dernier compteur élémentaire est connectée à la ligne de synchronisation (SYN), ce diviseur délivrant sur la sortie (QN) du dernier compteur élémentaire un signal, correspondant à sa propre fréquence d'horloge, divisée par un facteur programmé par les valeurs binaires des entrées de forçage (R/S1, R/S2, R/S3). 6. Diviseur de fréquence selon la revendication 5, caractérisé en ce que, si N est le nombre de compteurs élémentaires et si P est le nombre binaire (O logique ou I logique) des entrées de forçage (R/S), ce diviseur divise selon le rapport 2NP. (R/S), ce diviseur divise selon le rapport 2 -P.