ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к интегральным микросхемам импульсных устройств на комплементарных транзисторах структуры металл-окисел-полупроводник (КМОП), отличающимся высокой плотность упаковки.
Известны делители частоты, выполненные на минимальном количестве КМОП-транзисторов, см., например, патент США №3493785, НПК 307-279, МПК Н03К 3/26, опубликованный 3 февраля 1970 г. [1]. Это устройство содержит всего восемь пар КМОП-транзисторов, структуры которых в интегральном исполнении занимают минимальную площадь на поверхности кристалла, однако все электрические связи в нем выполнены с использованием соединительных проводников, требующих дополнительной площади.
Этот недостаток устранен в делителе частоты, описанном в патенте США №3873852 НПК 307/220R, МПК Н03К 21/00, опубликованном 25 марта 1975 г. [2]. По технической сущности данное устройство наиболее близко заявляемой полезной модели.
Устройство содержит десять пар МОП-транзисторов с индуцированными каналами р и n типов проводимости, истоки первых, вторых, пятых, восьмых, девятых и десятых из которых соединены соответственно с шинами положительного и отрицательного полюсов напряжения питания. Стоки первых МОП-транзисторов обоих типов соединены с затворами второго, десятого р-МОП- и третьего, шестого n-МОП-транзисторов, а их затворы соединены со стоками третьих и четвертых МОП-транзисторов обоих типов, истоки которых соответственно подключены к стокам вторых и пятых МОП-транзисторов аналогичных типов. Стоки шестых и седьмых МОП-транзисторов обоих типов соединены с инверсным выходом устройства и с затворами четвертых и девятых МОП-транзисторов обоих типов, стоки последних из которых соединены с затворами седьмых МОП-транзисторов обоих типов и являются прямым выходом устройства. Истоки шестых и седьмых МОП-транзисторов обоих типов соответственно подключены к стокам десятых и восьмых МОП-транзисторов аналогичных типов. Затворы третьего, шестого р-МОП- и пятого, восьмого n-МОП-транзисторов соединены с инверсным входом устройства, затвор пятого, восьмого р-МОП- и второго, десятого n-МОП-транзисторов подключены к прямому входу устройства.
Схема данного устройства содержит 10 узлов внутренних электрических связей, при этом в ее конструктивном исполнении 8 узлов выполнены посредством совмещения электрически связанных стоков-истоков МОП-транзисторов без использования занимающих существенную площадь контактов и соединительных проводников.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении площади, занимаемой делителем частоты на поверхности кристалла.
Технический результат достигается тем, что в делителе частоты, содержащем девять МОП-транзисторов с индуцированным каналом р типа проводимости, истоки первого, второго, пятого, восьмого и девятого из которых соединены с шиной положительного полюса напряжения питания, девять МОП-транзисторов с индуцированным каналом n типа проводимости, истоки первого, второго, пятого, восьмого и девятого из которых соединены с шиной отрицательного полюса напряжения питания, стоки первых МОП-транзисторов обоих типов подключены к затвору второго р-МОП-транзистора, а их затворы соединены со стоками третьих и четвертых МОП-транзисторов обоих типов, истоки которых соответственно подключены к стокам вторых и пятых МОП-транзисторов аналогичных типов, стоки шестых и седьмых МОП-транзисторов обоих типов соединены с затворами девятых МОП-транзисторов обоих типов и являются инверсным выходом устройства, истоки седьмых МОП-транзисторов обоих типов подключены к стокам восьмых МОП-транзисторов аналогичных типов, стоки девятых МОП-транзисторов обоих типов соединены и являются прямым выходом устройства, затворы третьего и шестого р-МОП-транзисторов соединены с инверсным входом устройства, внесены отличия, заключающиеся в том, что затвор второго n-МОП-транзистора и истоки шестых МОП-транзисторов обоих типов соединены со стоками первых МОП-транзисторов, затворы третьего, шестого n-МОП-транзисторов и четвертого, седьмого р-МОП-транзисторов подключены к прямому входу устройства, а затворы четвертого и седьмого n-МОП-транзисторов соединены с его инверсным входом, затворы пятых и восьмых МОП-транзисторов обоих типов соединены с прямым выходом устройства.
Указанное выполнение устройства позволяет уплотнить упаковку физических структур КМОП-транзисторов.
Отличительными признаками полезной модели являются электрические связи в схеме делителя частоты и его конструктивное решение в интегральном исполнении.
Полезная модель поясняется чертежами, на фиг. 1 и 2 которых соответственно изображены принципиальная и функциональная электрические схемы делителя частоты, на Фиг. 3 - временная диаграмма работы устройства, на Фиг. 4 приведена схема его конструктивного выполнения, а на фиг. 5 - пример объединенной конструкции двух последовательно соединенных делителей частоты соответственно функциональной электрической схеме на фиг. 6.
CC
CC
Делитель частоты, содержит девять МОП-транзисторов 1р, … 9р с индуцированным каналом р типа проводимости, истоки первого, второго, пятого, восьмого и девятого из которых 1р, 2р, 5р, 8р и 9р соединены с шиной +V положительного полюса напряжения питания и девять МОП-транзисторов 1n, … 9n с индуцированным каналом n типа проводимости, истоки первого, второго, пятого, восьмого и девятого из которых 1n, 2n, 5n, 8n и 9n соединены с шиной -V отрицательного полюса напряжения питания. Стоки первых МОП-транзисторов 1р и 1n соединены с затворами вторых МОП-транзисторов 2р, 2n и с истоками шестых МОП-транзисторов 6р, 6n, а их затворы соединены со стоками третьих и четвертых МОП-транзисторов 3р, 4р и 3n, 4n, истоки которых соответственно подключены к стокам вторых и пятых МОП-транзисторов 2р, 5р и 2n, 5n аналогичных типов. Стоки шестых и седьмых МОП-транзисторов 6р, 7р и 6n, 7n соединены с инверсным выходом устройства и с затворами девятых МОП-транзисторов 9р, 9n, стоки которых соединены с затворами пятых, восьмых МОП-транзисторов 5р, 8р, 5n, 8n и являются прямым выходом Q устройства. Истоки седьмых МОП-транзисторов 7р, 7n соответственно подключены к стокам восьмых МОП-транзисторов 8р, 8n. Затворы третьего, шестого р-МОП- и четвертого, седьмого n-МОП-транзисторов 3р, 6р и 4n, 7n соединены с инверсным входом  устройства, а затворы четвертого, седьмого р-МОП- и третьего, шестого n-МОП-транзисторов 4р, 7р и 3n, 6n подключены к его прямому входу С.
Работу устройства поясняет эквивалентная функциональная электрическая схема Фиг. 2.
Р- и n-МОП-транзисторы 1р, … 5р и 1n, … 5n составляют D-триггер 10, синхронизированный по низкому уровню входного сигнала С, а р- и n-МОП-транзисторы 6р, … 9р и 6n, … 9n - D-триггер 11, синхронизированный по высокому уровню С. Выход триггера 10 подключен к инвертирующему информационному входу D триггера 11, прямой выход которого соединен с информационным входом D-триггера 10. D-триггер 11 имеет еще и инверсный выход.
При наличии напряжений низкого логического уровня на выводе С и высокого - на выводе  D-триггер 10 находится в режиме приема, а D-триггер 11 - в режиме хранения логического состояния.
МОП-транзисторы 4р, 4n D-триггера 10 имеют открытые каналы, позволяющие входным МОП-транзисторам 5р и 5n устанавливать на узле затворов МОП-транзисторов 1р и 1n инверсный по отношению к входному логический уровень. При этом логическое состояние, формируемое на своих стоках образующими инвертор МОП-транзисторами 1р и 1n, не может распространяться на узел затворов МОП-транзисторов 1р, 1n и влиять на состояние D-триггера 11, так как каналы МОП-транзисторов 3р, 3n, 6р, 6n закрыты.
D-триггер 11 хранит свое состояние, благодаря тому, что открытые каналы МОП-транзисторов 7р и 7n замыкают кольцевую цепь из двух последовательных инверторов на МОП-транзисторах 8р, 8n и 9р, 9n.
После переключения уровней логических напряжений на выводах С и  на противоположные D-триггер 10 запоминает принятое до переключения состояние, а D-триггер 11 включается на прием и встает в противоположное относительно D-триггера 10 состояние.
Через открытые каналы МОП-транзисторов 6р и 6n напряжение стоков МОП-транзисторов 1р и 1n передается на узел затворов образующих инвертор МОП-трензисторов 9р и 9n, напряжение на стоках которых не может влиять на состояние D-триггера 10 из-за отсутствия открытых каналов у МОП-транзисторов 4р и 4n.
В D-триггере 10 открытые каналы МОП-транзисторов 3р и 3n включают в работу инвертор на МОП-транзисторах 2р и 2n, который вместе с инвертором на МОП-транзисторах 1р и 1n замыкают кольцевую цепь, сохраняющую принятое в предшествующем режиме логическое состояние D-триггера 10.
После следующего снижения логического уровня на выводе С и повышения - на выводе, D-триггер 11 фиксирует свое состояние, а D-триггер 10 переходит в режим приема и меняет свое состояние на противоположное, так как до этого момента состояние D-триггера 11 было ему инверсным, а на информационный вход D триггера 10 поступает сигнал с прямого выхода D-триггера 11.
Для пояснения работы устройства на Фиг. 3 показаны эпюры изменяющихся во времени напряжений на выводе С и на прямых выходах D-триггеров 10 и 11, соответственно обозначенные как С, D10 и Q. На этом чертеже показано четыре полных цикла переключения сигнала С, начинающегося с момента повышения его уровня. Из чертежа Фиг. 3 видно, что логический уровень напряжения выходного сигнала Q делителя частоты, снимаемого с прямого выхода D-триггера 11, переключается в противоположный в начале каждого цикла переключений сигнала С и за время выполнения двух таких циклов происходит полный цикл переключений сигнала Q.
CC
CC
Делитель частоты конструктивно выполнен в виде первой и второй смежных продольными сторонами областей 12 и 13 МОП-структур р типа и параллельных им также смежных первой и второй областей 14 и 15 МОП-структур n типа, причем первые р- и n-МОП области 12 и 14 примыкают друг к другу. Поперек всех четырех областей 12, … 15, проходят восемь полосок затворов, разделяющих их на области стоков-истоков МОП-транзисторов соответствующих типов. С первой по пятую полоски затворов в порядке возрастания номеров пересекают первую область 12 р-МОП-структур, соответственно образуя области каналов с первого по пятый р-МОП-транзисторов 1р, … 5р, а с третьей по шестую - вторую область 13, образуя области каналов с шестого по девятый р-МОП-транзисторов 6р, … 9р. Вторая, седьмая, восьмая, пятая и шестая полоски затворов в названном порядке пересекают первую область 14 n-МОП-структур, образуя области каналов со второго по пятый и девятого n-МОП-транзисторов 2n, … 5n и 9n, а первая, седьмая, восьмая и пятая полоски затворов - вторую область 15, образуя области каналов первого и с шестого по восьмой n-МОП-транзисторов 1n и 6n, … 8n. Первая полоска затворов электрически связана с областями стоков между третьей, четвертой и седьмой, восьмой полосками затворов в первых областях 12 и 14 р- и n-МОП-структур соответственно. Вторая полоска затворов электрически связана с крайними областями стоков в первой и второй областях 12 и 13 р-МОП-структур, отделенными соответственно первой и третьей полосками затворов, и с областью истока-стока между первой и седьмой полосками затворов во второй области 15 n-МОП-структур. Третья и восьмая полоски затворов электрически связаны с инверсным входом  устройства, а четвертая и седьмая - с его прямым входом С. Пятая полоска затворов электрически связана с прямым выходом устройства Q и с крайними областями стоков в первой и второй областях 14 и 13 соответственно n- и р-МОП-структур, отделенными шестой полоской затворов, которая имеет электрическую связь с инверсным выходом  устройства и с областями стоков между третьей, четвертой и седьмой, восьмой полосками затворов во вторых областях 13 и 15 р- и n-МОП-структур соответственно. В первой области 12 р-МОП-структур области истоков между первой и второй полосками затворов и крайняя, отделенная пятой полоской затворов, а также область истоков между пятой и шестой полосками затворов во второй области 13 р-МОП-структур электрически связаны с шиной +V положительного полюса напряжения питания. В первой области 14 n-МОП-структур крайняя область истока, отделенная второй полоской затворов и область истоков между пятой и шестой полосками затворов, а также крайние области, отделенные первой и пятой полосками затворов, во второй области 15 n-МОП-структур электрически связаны с шиной -V отрицательного полюса напряжения питания.
Предлагаемое конструктивное выполнение устройства повышает плотность размещения МОП-транзисторов за счет их сосредоточения в двух парах близко прилегающих друг к другу продольными сторонами МОП-структурных областей 12, 13 и 14, 15. Области, разделяющие однотипные МОП-структуры могут быть существенно уже области, разделяющей МОП-структуры разных типов проводимости. В объединенных областях МОП-структур электрические связи стоков и истоков МОП-транзисторов выполнены посредством их совмещения, при этом совмещенные стоки-истоки транзисторов 2р - 3р, 4р - 5р, 7р - 8р и 2n - 3n, 4n - 5n, 7n - 8n не имеют контактов и, поэтому, могут быть сжаты в продольном направлении до размера, равного минимальному расстоянию между полосками затворов.
Конструкция делителя частоты также обеспечивает высокую плотность размещения устройств при их объединении в последовательные цепи с целью преумножения коэффициента деления. Это поясняет Фиг. 5. При последовательном объединении делителей частоты у каждого из них, кроме последнего, прямой и инверсный выходы Q и  соединяют с прямым и инверсным входами С и  следующего, как показано на Фиг. 6.
Из чертежа Фиг. 5 должно быть видно, что третья и восьмая образующие МОП-транзисторы 3р, 6р и 4n, 7n полоски затворов каждого последующего делителя частоты являются продолжением шестой образующей МОП-транзисторы 9р и 9n полоски затворов предыдущего. Пятая образующая МОП-транзисторы 5р, 8р и 5n, 8n полоска затворов каждого предыдущего делителя частоты соединяет четвертую и седьмую образующие МОП-транзисторы 4р, 7р и 3n, 6n полоски затворов последующего.
Высокая плотность при объединении делителей частоты достигается благодаря возможности выполнения соединений входов С и  с выходами Q и  в одном слое с полосками затворов без использования дополнительных контактов и проводников.
Таким образом, делитель частоты, выполняя свои функции в полном объеме, занимает на поверхности кристалла минимальную площадь, особенно в составе многоступенчатых делительных устройств за счет уплотнения МОП-транзисторных структур и минимизации количества связей, выполняемых с помощью контактов к полоскам затворов и к областям стоков-истоков и соединяющих их проводников.