КОЛЬЦЕВОЙ ГЕНЕРАТОР НА КМДП ТРАНЗИСТОРАХ
RING OSCILLATOR BASED ON TRANSISTORS WITH METAL-INSULATOR-SEMICONDUCTOR (MIS) STRUCTURE

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в системах тактовой синхронизации микропроцессорных устройств.
Известен кольцевой генератор на КМДП транзисторах (US 6424192, Fig 4, МКИ H03L 7/06, НКИ 327/156 от 23.07.2002). В нем используются триггерные элементы-каскады, соединенные последовательно в кольцо. Недостатком элемента является сложность устройства - каждый каскад содержит 14 транзисторов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является кольцевой генератор на КМДП транзисторах (US 5677650, МКИ H03B 5/02, НКИ 331/57 от 14.10.1997). Это устройство, принятое за прототип, содержит нечетное число КМДП последовательно включенных инверторов, соединенных в кольцо, и выходной элемент в виде инвертора.
Недостаток этого устройства - ограниченные функциональные возможности, т.к. устройство формирует периодические сигналы типа синусоидальных, в то время как в цифровой технике требуются тактовые сигналы типа меандра-трапеции (с полочкой на уровнях напряжения питания).
Техническим результатом предложенного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.
Технический результат достигается тем, что кольцевой генератор на КМДП транзисторах содержит нечетное число инверторов, соединенных последовательно, причем выход последнего подключен к входу первого, и первый инвертирующий элемент, содержащий последовательно соединенные транзисторы p-типа и n-типа, точка соединения которых является выходом инвертирующего элемента. Кроме того, устройство содержит второй инвертирующий элемент, идентичный первому, затворы транзисторов p-типа первого и второго инвертирующих элементов подключены соответственно к входу и к выходу одного из инверторов, затвор транзистора n-типа первого инвертирующего элемента подключен к выходу второго инвертирующего элемента, а затвор транзистора n-типа второго инвертирующего элемента подключен к выходу первого инвертирующего элемента, причем выходы инвертирующих элементов являются выходами устройства.
Существенными отличительными признаками в указанной совокупности признаков является наличие второго инвертирующего элемента, подключение затворов транзисторов p-типа инвертирующих элементов к входу и выходу одного из инверторов, а затворов транзисторов n-типа к соответствующему выходу инвертирующего элемента по схеме обратной связи.
Наличие в предлагаемом устройстве перечисленных выше существенных признаков обеспечивает решение поставленной технической задачи - расширение функциональных возможностей устройства. В устройстве-прототипе генератор формирует периодические сигналы синусоидальной формы, то время как в цифровой технике требуются тактовые сигналы типа меандра (с полочкой на уровнях напряжения питания). В заявленном устройстве инвертирующие элементы, управляемые в противофазе соответственно с входа и выхода одного и того же инвертора за счет обратной связи между собой, обеспечивают расширение длительности выходного сигнала на уровнях напряжения питания, в результате чего периодический сигнал приобретает форму меандра (трапеции), что позволяет использовать устройство в системах синхронизации цифровых устройств.
На фиг.1 приведена принципиальная схема заявленного устройства.
На фиг.2 приведены эпюры напряжений на входе и выходе одного из инверторов за период колебаний и соответствующие сигналы на выходах устройства.
Кольцевой генератор на МДП транзисторах содержит нечетное число инверторов 1, первый 2 и второй 3 инвертирующие элементы, каждый из которых содержит последовательно соединенные транзисторы p-типа 4 и n-типа 5, точки соединения которых являются выходами 6, 7 элементов 2, 3 и устройства. Затворы транзисторов 4 p-типа первого 2 и второго 3 инвертирующих элементов подключены соответственно к входу 8 и к выходу 9 одного из инверторов 1, затвор транзистора n-типа 5 первого инвертирующего элемента 2 подключен к выходу 7 второго инвертирующего элемента 3, а затвор транзистора 5 n-типа второго инвертирующего элемента 3 подключен к выходу 6 первого инвертирующего элемента 2. Инверторы включены последовательно, причем выход последнего соединен с входом первого инвертора. Инверторы и инвертирующие элементы включены между шиной положительного питания и шиной земли.
0
0
Устройство работает следующим образом. В кольцевой структуре инверторов формируются периодические псевдосинусоидальные сигналы с периодом T. Как показано на рис.2, минимума и максимума амплитуда колебаний достигает при достижении сигнала на входе инвертора, отличающегося от напряжения питания (или шины земли) на величину порогового напряжения МДП транзистора (в симметрированном инверторе пороговые напряжения транзисторов p- и n-типов равны U по абсолютной величине). В исходной точке отсчета 0 (и слева от 0) напряжение на входе 8 инвертора положительное, а на выходе 9 - нулевое, т.е. транзистор 4 p-типа первого инвертирующего элемента 2 закрыт, а такой же транзистор 4 p-типа второго инвертирующего элемента 3 открыт. В результате на выходе 7 устройства - напряжение высокого уровня (питания), а на другом выходе 6 - низкого уровня (земли), как результат действия обратных связей по затворам транзисторов 5 n-типа. Справа от т. 0 транзистор 4 p-типа первого инвертирующего элемента 2 начинает открываться и напряжение в узле 6 начинает расти. При достижении в узле 6 порогового напряжения U (т.A) транзистора 5 n-типа второго инвертирующего элемента 3 транзистор открывается и за счет обратной связи рост напряжения в узле 6 и падение напряжения в узле 7 происходит с более крутыми фронтами, чем в инверторе. Далее (от т. B до т. D) транзистор 4 p-типа второго инвертирующего элемента 2 закрыт и в узлах 6 и 7 сохраняются напряжения соответственно высокого и низкого уровня. B т. D транзистор 4 p-типа второго инвертирующего элемента 3 начинает открываться и при достижении порогового напряжения (т. E) открывается транзистор 5 n-типа второго инвертирующего элемента 3, причем транзистор 4 p-типа первого инвертирующего элемента 2 при этом закрыт, что обуславливает крутые фронты нарастания и спада за счет обратной связи. Далее уровни напряжений сохраняются до точки T (конец периода колебаний) с возвратом в исходную т. 0. Таким образом на выходах 6, 7 устройства формируются парафазные цифровые сигналы типа меандра-трапеции с крутыми фронтами с той же частотой, что в кольцевой структуре инверторов, которая определяется числом инверторов в цепочке.