JP3579820B2 - D-type flip-flop - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスターラッチが差動インバータで構成され、スレイブラッチがRSラッチで構成されているD型フリップフロップに関するもので、特に半導体集積回路に用いられるD型フリップフロップについてのものである。
【0002】
【従来の技術】
D型フリップフロップは、差動インバータのマスターラッチとRSラッチのスレイブラッチからなり、クロック入力信号に同期して、入力データを保持し、また保持しているデータを出力する機能を有する。D型フリップフロップの機能は、クロック入力信号の評価期間においてデータ入力端子Dに入力されてきたデータがそのままデータ出力端子Qに現れるというものである。このD型フリップフロップは同期型の半導体集積回路にとって基本的な素子である。
【0003】
以下、図面を参照しながら従来のフリップフロップ回路について説明する。
【0004】
図5はマスターラッチが差動インバータで、スレイブラッチがRSラッチで構成されている差動−RSラッチ構成のD型フリップフロップの回路構成図である。図5において、符号の1はマスターラッチを構成している差動インバータ、2はスレイブラッチを構成しているRSラッチ、TP1,TP2,TP3およびTP4はPch型MOSトランジスタ、TN1,TN2,TN3,TN6,TN7およびTN9はNch型MOSトランジスタ、NAND1およびNAND2は2入力NAND回路、INV1はインバータ回路、CLKはクロック入力端子、Dはデータ入力端子、Qはデータ出力端子、QNは反転データ出力端子、SおよびRはD型フリップフロップの内部ノードでRSラッチ2のセット入力端子とリセット入力端子、n1およびn2はトランジスタTN9のドレイン端子またはソース端子である。
【0005】
図5に示した差動−RSラッチ構成のD型フリップフロップについて、動作を説明する。トランジスタTN9のゲートは直流電源に接続されて高電位側電源電位であるVDD電位に固定されているので常に導通状態となっている。
【0006】
まず、充電期間の動作を説明する。クロック入力端子CLKに入力されるクロック入力信号が低電位側電源電位であるVSS電位のとき、充電用の2つのPchトランジスタTP1およびTP2は導通状態となり、NchトランジスタTN1は非導通状態となる。したがって、RSラッチ2のセット入力端子SはPchトランジスタTP2を介してVDD電位にチャージされ、リセット入力端子RはPchトランジスタTP1を介してVDD電位にチャージされる。また、NchトランジスタTN6およびTN7も導通状態になるので、接続点n1およびn2はVDD電位からNchトランジスタの閾値電圧を減じた電位にチャージされる。NchトランジスタTN6,TN7が導通状態でもソースがグランドに接続されてVSS電位に固定のNchトランジスタTN1が非導通状態となっているので、セット入力端子Sおよびリセット入力端子Rからの放電は起こらない。このとき、RSラッチ2のセット入力端子Sもリセット入力端子RもともにVDD電位となるので、RSラッチ2はホールド状態となり、いま保持しているデータを保持し続ける。データ入力端子Dの状態のいかんにかかわらず、換言すれば、NchトランジスタTN2,TN3のどちらが導通状態でどちらが非導通状態であっても、NchトランジスタTN1が非導通状態を保っているから、セット入力端子Sおよびリセット入力端子RのVDD電位の状態は変わらない。駆動用のPchトランジスタTP3およびTP4は非導通状態を保つ。このような状態を充電期間と呼ぶ。
【0007】
次に、評価期間の動作を説明する。クロック入力端子CLKに入力されるクロック入力信号がVSS電位からVDD電位になっている期間が評価期間である。評価期間になると、充電用のPchトランジスタTP1およびTP2は非導通状態となり、NchトランジスタTN1は導通状態となる。この状態で、データ入力端子Dに入力されるデータの違いによる当該のD型フリップフロップの出力状態の違いを次に説明する。
【0008】
データ入力端子DがVSS電位であるときは、NchトランジスタTN2は非導通状態であり、インバータ回路INV1の出力はVDD電位となるので、NchトランジスタTN3は導通状態である。接続点n2はトランジスタTN3およびトランジスタTN1を介してVSS電位のグランドに接続され、その結果、接続点n2が接続点n1よりもより速くVSS電位となるため、セット入力端子Sは導通状態にあるトランジスタTN7を介して放電し、セット入力端子SはVSS電位となる。すると、ゲートがVSS電位に下がったNchトランジスタTN6は非導通状態に反転し、ゲートがVSS電位に下がった駆動用のPchトランジスタTP3は導通状態に反転し、その結果として、直流電源より駆動用のPchトランジスタTP3を介してリセット入力端子RがチャージされてVDD電位となる。セット入力端子SがVSS電位であるから反転データ出力端子QNにはVDD電位が出力され、リセット入力端子RがVDD電位であるからデータ出力端子QにはVSS電位が出力される。
【0009】
上記とは逆に、データ入力端子DがVDD電位であるときは、NchトランジスタTN2は導通状態であり、インバータ回路INV1の出力はVSS電位となるので、NchトランジスタTN3は非導通状態である。接続点n1はトランジスタTN2およびトランジスタTN1を介してVSS電位のグランドに接続され、その結果、接続点n1が接続点n2よりもより速くVSS電位となるため、リセット入力端子Rは導通状態にあるトランジスタTN6を介して放電し、リセット入力端子RはVSS電位となる。すると、ゲートがVSS電位に下がったNchトランジスタTN7は非導通状態に反転し、ゲートがVSS電位に下がった駆動用のPchトランジスタTP4は導通状態に反転し、その結果として、直流電源より駆動用のPchトランジスタTP4を介してセット入力端子SがチャージされてVDD電位となる。セット入力端子SがVDD電位であるから反転データ出力端子QNにはVSS電位が出力され、リセット入力端子RがVSS電位であるからデータ出力端子QにはVDD電位が出力される。
【0010】
図5に示す従来の差動−RSラッチ構成のD型フリップフロップにあっては、上記の動作の説明より明らかなように、評価期間においては、セット入力端子Sとリセット入力端子Rのうちどちらか一方がVSS電位であり、他方がVDD電位である。
【0011】
ここで、セット入力端子SがVSS電位であり、かつリセット入力端子RがVDD電位となっている状態から充電期間に入ったとすると、充電用のPchトランジスタTP2が導通状態となり、このトランジスタTP2を介してセット入力端子SがVSS電位よりVDD電位へと充電される。充電期間になると、もう一方の充電用のPchトランジスタTP1も導通状態となるが、このトランジスタTP1はリセット入力端子Rの充電用であって、セット入力端子Sには接続されていないから、当然にセット入力端子Sの充電のためには機能していない。
【0012】
また、上記とは逆に、セット入力端子SがVDD電位であり、かつリセット入力端子RがVSS電位となっている状態から充電期間に入ったとすると、充電用のPchトランジスタTP1が導通状態となり、このトランジスタTP1を介してリセット入力端子RがVSS電位よりVDD電位へと充電される。充電期間になると、もう一方の充電用のPchトランジスタTP2も導通状態となるが、このトランジスタTP2はセット入力端子Sの充電用であって、リセット入力端子Rには接続されていないから、当然にリセット入力端子Rの充電のためには機能していない。
【0013】
なお、充電期間に入ると、PchトランジスタTP3,TP4は非導通状態に反転する。
【0014】
D型フリップフロップにおいては一般的に評価期間よりも充電期間の方が長い時間を必要とする。
【0015】
さて、ここでD型フリップフロップのクロック周波数を高くすることを考えてみる。クロック周波数を高くすると、1周期が短くなる。したがって、評価期間も充電期間も短くなる。充電期間が短くなると、充電不足に陥ることがあり、そうなるとD型フリップフロップが動作しなくなる。
【0016】
そこで、D型フリップフロップを高いクロック周波数で動作させるために、充電用のPchトランジスタTP1,TP2のゲート幅を大きくすることが考えられる。しかし、ゲート幅を大きくすると、このトランジスタTP1,TP2のゲートがクロック入力端子CLKに接続されている関係から、そのクロック入力端子の入力容量が増加することになり、そうなると波形がなまるなどして同期制御上好ましくないのである。
【0017】
また、半導体集積回路を設計する上で必要な機能を付け加えた場合、セット入力端子Sおよびリセット入力端子Rの充電に必要な電荷量が増え、このこともD型フリップフロップを高いクロック周波数で動作させる上で支障となる。このことを図4を参照しながら説明する。
【0018】
図4は従来の技術の場合のリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップの回路構成図である。図4において、TP6,TP10,TP11およびTP20はPch型MOSトランジスタ、TN4,TN5,TN10およびTN20はNch型MOSトランジスタ、INV2,INV5,INV10,INV20およびINV21はインバータ回路、DTはテストデータ入力端子、CKTはテスト用クロック入力端子、RSTNはリセット信号入力端子である。その他の符号は図5と同じである。
【0019】
図4の回路のように半導体集積回路の設計に必要な機能を付け加えると、セット入力端子Sおよびリセット入力端子Rに接続されるトランジスタが増加するので、充電期間中に充電しなければならない電荷量も増加する。そのため、高いクロック周波数で動作させるようとすると、充電不足がより深刻なものとなる。
【0020】
そうかといって、高速に充電するために、PchトランジスタTP1,TP2,TP10,TP1およびTP6のゲート幅を大きくすると、クロック入力端子の入力容量が増加することになり、同期制御上好ましくない。
【0021】
〔先行技術〕
そこで本発明者は図3に示すような改良を加えたリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップを考えた。図3に示すD型フリップフロップを先行技術と称することにする。
【0022】
以下、先行技術について詳しく説明する。構成要素について説明すると、図3において、符号の1はマスターラッチを構成する差動インバータ、2はスレイブラッチを構成するRSラッチである。また、TP1,TP2,TP3,TP4,TP6,TP10,TP11,TP20,TP30およびTP31はPch型MOSトランジスタ、TN1,TN2,TN3,TN4,TN5,TN6,TN7,TN9,TN10およびTN20はNch型MOSトランジスタ、NAND1およびNAND2は2入力NAND回路、INV1,INV2,INV5,INV10,INV20およびINV21はインバータ回路、SおよびRはフリップフロップの内部ノードでRSラッチ2のセット入力端子とリセット入力端子、n1およびn2はトランジスタTN9のドレイン端子またはソース端子、CLKはクロック入力端子、CKTはテスト用クロック入力端子、Dはデータ入力端子、DTはテスト用データ入力端子、RSTNはリセット信号入力端子、Qはデータ出力端子、QNは反転データ出力端子であり、これらの各要素は図示のとおりに結線されている。
【0023】
図3の回路構成が図4と相違しているのは次の点である。RSラッチ2のセット入力端子Sとリセット入力端子Rとの間に2つのPchトランジスタTP30,TP31を縦続に接続してある。PchトランジスタTP30のゲートがテスト用クロック入力端子CKTに接続され、PchトランジスタTP31のゲートがクロック入力端子CLKに接続されている。
【0024】
この先行技術にかかわるリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップにおいては、クロック入力端子CLKはテスト動作をしているときは低電位側電源電位であるVSS電位に固定される。テスト用クロック入力端子CKTはテスト動作でないときはVSS電位に固定される。リセット信号入力端子RSTNはリセット機能を実行させるときはVSS電位とされ、それ以外のときは高電位側電源電位であるVDD電位とされる。
【0025】
次に、上記構成の先行技術にかかわるリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップの動作を説明する。トランジスタTN9のゲートは直流電源に接続されて高電位側電源電位であるVDD電位に固定されているので常に導通状態となっている。
【0026】
テスト動作ではない通常モードのときは、テスト用クロック入力端子CKTは低電位側電源電位のVSS電位となっており、PchトランジスタTP10,TP11およびTP30が導通状態となっている。また、リセット機能を実行させない状態では、リセット信号入力端子RSTNは高電位側電源電位のVDD電位となっており、PchトランジスタTP20は非導通状態となり、インバータ回路INV5を介してPchトランジスタTP6は導通状態となり、NchトランジスタTN20は非導通状態となっている。
【0027】
いま、評価期間になっているとする。クロック入力端子CLKに入力されるクロック入力信号がVSS電位からVDD電位になって評価期間となる。評価期間になると、充電用のPchトランジスタTP1およびTP2は非導通状態となり、NchトランジスタTN1は導通状態となる。この状態で、データ入力端子Dに入力されるデータの違いによる当該のD型フリップフロップの出力状態の違いを次に説明する。
【0028】
データ入力端子DがVSS電位であるときは、NchトランジスタTN2は非導通状態であり、インバータ回路INV1の出力はVDD電位となるので、NchトランジスタTN3は導通状態である。接続点n2はトランジスタTN3およびトランジスタTN1を介してVSS電位のグランドに接続され、その結果、接続点n2が接続点n1よりもより速くVSS電位となるため、セット入力端子Sは導通状態にあるトランジスタTN7を介して放電し、セット入力端子SはVSS電位となる。すると、ゲートがVSS電位に下がったNchトランジスタTN6は非導通状態に反転し、ゲートがVSS電位に下がった駆動用のPchトランジスタTP3は導通状態に反転し、その結果として、駆動用のPchトランジスタTP3を介してリセット入力端子RがチャージされてVDD電位となる。セット入力端子SがVSS電位でかつリセット入力端子RがVDD電位であるからRSラッチ2の出力端子にはVDD電位が出力され、データ出力端子QにはVSS電位が出力され、反転データ出力端子QNにはVDD電位が出力される。つまり、データ出力端子Qの状態はデータ入力端子Dの状態と同じになり、反転データ出力端子QNの状態はデータ入力端子Dとは逆の状態となる。
【0029】
上記とは逆に、データ入力端子DがVDD電位であるときは、NchトランジスタTN2は導通状態であり、インバータ回路INV1の出力はVSS電位となるので、NchトランジスタTN3は非導通状態である。接続点n1はトランジスタTN2およびトランジスタTN1を介してVSS電位のグランドに接続され、その結果、接続点n1が接続点n2よりもより速くVSS電位となるため、リセット入力端子Rは導通状態にあるトランジスタTN6を介して放電し、リセット入力端子RはVSS電位となる。すると、ゲートがVSS電位に下がったNchトランジスタTN7は非導通状態に反転し、ゲートがVSS電位に下がった駆動用のPchトランジスタTP4は導通状態に反転する。その結果として、駆動用のPchトランジスタTP4を介してセット入力端子SがチャージされてVDD電位となる。セット入力端子SがVDD電位でかつリセット入力端子RがVSS電位であるからRSラッチ2の出力端子にはVSS電位が出力され、データ出力端子QにはVDD電位が出力され、反転データ出力端子QNにはVSS電位が出力される。つまり、データ出力端子Qの状態はデータ入力端子Dの状態と同じになり、反転データ出力端子QNの状態はデータ入力端子Dとは逆の状態となる。
【0030】
なお、評価期間を過ぎてつまりクロック入力端子CLKがVDD電位からVSS電位になって充電期間に入ってから、データ入力端子Dの状態が反転しても、セット入力端子Sおよびリセット入力端子RはともにVDD電位となるので、RSラッチ2の内部状態は保存され、データ出力端子Qおよび反転データ出力端子QNの状態は不変である。
【0031】
次に、リセット機能の実行の場合を説明する。リセット信号入力端子RSTNをVDD電位からVSS電位に切り換えると、PchトランジスタTP20が導通状態に反転し、リセット入力端子RがこのトランジスタTP20を介してVDD電位の直流電源に接続される。また、インバータ回路INV5の出力端子がVDD電位となり、NchトランジスタTN20が導通状態に反転し、セット入力端子SがこのトランジスタTN20を介してVSS電位のグランドに接続される。セット入力端子SがVSS電位に引かれると、PchトランジスタTP3が導通状態になり、NchトランジスタTN6が非導通状態になるから、NchトランジスタTN1,TN2の状態のいかんにかかわらず、リセット入力端子Rからの放電は起こらず、逆にPchトランジスタTP3を介してリセット入力端子Rへの充電が行われる。リセット入力端子Rへの充電はPchトランジスタTP20を介しても行われる。リセット入力端子RがVDD電位に引かれると、PchトランジスタTP4が非導通状態となり、NchトランジスタTN7が導通状態になるから、PchトランジスタTP4を介してのセット入力端子Sへの充電は起こらず、セット入力端子SからNchトランジスタTN20を介して放電が行われる。その結果として、セット入力端子SはVSS電位となり、リセット入力端子RはVDD電位となる。RSラッチ2の出力端子にはVDD電位が出力され、データ出力端子QにはVSS電位が出力され、反転データ出力端子QNにはVDD電位が出力される。つまり、D型フリップフロップがリセットされたことになる。
【0032】
次に、評価期間から充電期間に移ったときの動作を説明する。
【0033】
まず、セット入力端子SがVSS電位で、リセット入力端子RがVDD電位の状態から充電期間に移ったときを説明する。充電期間に移るということはクロック入力端子CLKがVDD電位からVSS電位に切り換わるということである。クロック入力端子CLKがVSS電位になると、PchトランジスタTP1,TP2およびTP31が導通状態となる。なお、切り換える前の評価期間において、PchトランジスタTP6,TP10,TP11は導通状態になっている。したがって、クロック入力端子CLKの切り換わりにより、PchトランジスタTP6,TP11およびTP2を介してセット入力端子SがVSS電位からVDD電位へと充電される。また、PchトランジスタTP10→TP1→TP31→TP30の経路でもセット入力端子Sへの充電が行われる。また、PchトランジスタTP4においてゲートとドレインの電位が等しくなるので、このトランジスタTP4が導通状態を保ち、充電が完了するまではこのトランジスタTP4を介してセット入力端子Sに充電が行われる。なお、データ出力端子QのVSS電位の状態および反転データ出力端子QNのVDD電位の状態は不変である。
【0034】
次に、セット入力端子SがVDD電位で、リセット入力端子RがVSS電位の状態から充電期間に移ったときを説明する。クロック入力端子CLKがVDD電位からVSS電位に切り換わると、PchトランジスタTP1,TP2およびTP31が導通状態となる。なお、切り換える前の評価期間において、PchトランジスタTP6,TP10,TP11は導通状態になっている。したがって、クロック入力端子CLKの切り換わりにより、PchトランジスタTP10およびTP1を介してリセット入力端子RがVSS電位からVDD電位へと充電される。また、PchトランジスタTP6→TP11→TP2→TP30→TP31の経路でもリセット入力端子Rへの充電が行われる。また、PchトランジスタTP3においてゲートとドレインの電位が等しくなるので、このトランジスタTP3が導通状態を保ち、充電が完了するまではこのトランジスタTP3を介してリセット入力端子Rに充電が行われる。なお、データ出力端子QのVDD電位の状態および反転データ出力端子QNのVSS電位の状態は不変である。
【0035】
以上、通常動作モードのときを説明したが、テスト動作モード時も、全く同じように動作する。クロック入力端子CLKをVSS電位にする。これにより、PchトランジスタTP1,TP2およびTP31が導通状態となる。テスト用クロック入力端子CKTをVSS電位とVDD電位との間で切り換えるとともに、テストデータ入力端子DTもVSS電位とVDD電位との間で切り換える。このテストの際に、セット入力端子Sとリセット入力端子RとがともにVSS電位となる可能性がある。もし、RSラッチ2の出力を2入力NAND回路NAND1の出力端子と2入力NAND回路NAND2の出力端子とすると、両出力ともVDD電位となる。しかし、このような組み合わせは本来は禁止されるものである。一方の出力と他方の出力とは互いに相違している必要がある。そこで、RSラッチ2からは2入力NAND回路NAND1の出力端子を図示のとおりに2つに分岐し、一方にインバータ回路INV10を挿入してデータ出力端子Qとし、他方にインバータ回路INV20およびINV21を挿入して反転データ出力端子QNとしてある。こうすることにより、セット入力端子Sとリセット入力端子RとがともにVSS電位となっても、データ出力端子QはVSS電位で、反転データ出力端子QNはVDD電位となり、互いに異なる出力状態とすることができる。
【0036】
以上のように、半導体集積回路の設計に必要な機能を付け加えた図3に示す先行技術にかかわるリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップにおいては、評価期間から切り換わった充電期間において、その切り換わりの直前でRSラッチ2のセット入力端子Sとリセット入力端子Rとのうち低電位側電源電位のVSS電位となっていた方の入力端子に対する充電が複数系統で同時に行われるので、その充電電荷量が大きく充電不足には陥らない。したがって、個々の系統におけるトランジスタのゲート幅を特に大きくしなくても、短時間の急速充電が可能となり、高いクロック周波数にてリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップを動作させることができる。特に、クロック入力端子CLKに接続されたPchトランジスタTP1,TP2やテストデータ入力端子DTに接続されたPchトランジスタTP10,T11やリセット信号入力端子RSTNに接続されたPchトランジスタTP6のゲート幅を大きくしないでよく、それらの入力端子の入力容量を増加させ波形がなまる結果、同期制御が困難になるといった不都合を招かないですむ。
【0037】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の図3に示す先行技術にかかわるリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップの場合には、RSラッチ2のセット入力端子Sとリセット入力端子Rに対する充電がクロック入力端子CLKがVSS電位となっている充電期間に限って実行されるという充電作用についての時間的制約があるため、クロック周波数がさらに高くなった場合には対応することができず、充電期間が不足して充電不足に陥ることは避けられないのである。
【0038】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわるところの、マスターラッチが差動インバータで構成され、スレイブラッチがRSラッチで構成されているD型フリップフロップは、評価期間においてRSラッチの2つの入力端子について互いに異なる状態の電位(低電位側電源電位と高電位側電源電位と)が確定したのちには、充電期間に移る前の段階でただちに、前記の確定に起因して生成される充電開始信号に基づいて独立した充電系統を駆動して充電を行うようにしたものである。評価期間から充電を開始するので、充電期間も合わせて実効的な充電期間を多めに確保し、クロック周波数が相当に高くなっても充電不足を解消する。
【0039】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1にかかわるD型フリップフロップは、マスターラッチが差動インバータで構成され、スレイブラッチがRSラッチで構成されているD型フリップフロップであって、RSラッチのセット入力端子とリセット入力端子との間に2入力EXNOR回路と第1のスイッチング素子とが挿入され、セット入力端子とリセット入力端子との少なくともいずれか一方に充電用の第2のスイッチング素子が接続され、差動インバータとグランドとの間に第3のスイッチング素子が挿入され、前記第1から第3のスイッチング素子を2入力EXNOR回路からの充電開始信号に基づいて導通させるように構成したものである。ここでEXNOR回路は排他的論理のNOR回路のことである。評価期間中においてRSラッチの出力状態が確定した直後からRSラッチのセット入力端子とリセット入力端子とのうち低電位側電源電位(VSS電位)となっていた方の入力端子に対する充電を開始するので、すなわち充電期間に入る前の段階から充電を開始することで実効的な充電期間を長くとっているので、その充電電荷量が大きく、クロック周波数が大幅に高くなったとしても、充電不足には陥らない。したがって、個々の系統におけるスイッチング素子のゲート等のサイズを特に大きくしなくてもよくて、すなわちクロック入力端子の入力容量の増大を招くことなく、短時間での急速充電が可能となり、相当に高いクロック周波数でのD型フリップフロップの動作が可能となる。とりわけ、半導体集積回路の設計に必要な機能を付け加えた場合には必要な電荷量が増えるが、これに対しても充分に対応可能となる。なお、この場合、クロック入力信号とは別の信号で充電を開始できるので、充電のためのスイッチング素子のゲート等のサイズを大きくしてもよい。
【0040】
以下、本発明にかかわるD型フリップフロップの具体的な実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【0041】
〔実施の形態1〕
図1は実施の形態1のリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップの回路構成図である。図1において、先行技術の図3におけるのと同じ符号は実施の形態1においても同一要素を示すので、詳しい説明は省略する。実施の形態1における構成が先行技術と相違する点は以下のとおりである。構成要素について説明すると、符号のTP50およびTP51はPch型MOSトランジスタ、TN300はNch型MOSトランジスタ、XNOR1は2入力EXNOR回路すなわち排他的論理のNOR回路である。PchトランジスタTP50のドレインがセット入力端子Sに接続され、ソースがリセット入力端子Rに接続されている。PchトランジスタTP51のドレインが高電位側電源電位のVDD電位の直流電源に接続され、ソースがセット入力端子Sに接続されている。2入力EXNOR回路XNOR1の2つの入力端子がそれぞれセット入力端子Sとリセット入力端子Rに接続され、その出力端子がPchトランジスタTP50およびTP51のゲートに接続されている。NchトランジスタTN1およびTN10のソースどうしが接続され、それにNchトランジスタTN300のドレインが接続され、そのソースが低電位側電源電位のVSS電位のグランドに接続されている。そして、2入力EXNOR回路XNOR1の出力端子がNchトランジスタTN300のゲートに接続されている。Cは2入力EXNOR回路XNOR1から出力される充電開始信号である。先行技術の場合のPchトランジスタTP30およびTP31はない。PchトランジスタTP50が請求項1にいう第1のスイッチング素子に相当し、PchトランジスタTP51が請求項1にいう第2のスイッチング素子に相当し、NchトランジスタTN300が請求項1にいう第3のスイッチング素子に相当している。
【0042】
次に、実施の形態1の動作を説明する。先行技術の場合と同様に、評価期間においては、RSラッチ2のセット入力端子Sとリセット入力端子Rのうちいずれか一方がVSS電位になり、他方がVDD電位になる。このように、いずれか一方がVSS電位となり、他方がVDD電位となると、D型フリップフロップの出力状態は確定するので、充電を開始してもよいことになる。セット入力端子Sとリセット入力端子RのいずれもがVDD電位である充電期間においては、2入力EXNOR回路XNOR1から出力される充電開始信号CはVDD電位であり、PchトランジスタTP50は非導通状態となっている。しかし、評価期間においてセット入力端子SがVSS電位でリセット入力端子RがVDD電位になったとき、あるいはセット入力端子SがVDD電位でリセット入力端子RがVSS電位になったときは、2入力EXNOR回路XNOR1からの充電開始信号CがVSS電位となり、PchトランジスタTP50が導通状態に反転する。同時に、PchトランジスタTP51も導通状態に反転し、NchトランジスタTN300は非導通状態に反転する。
【0043】
セット入力端子SがVSS電位でリセット入力端子RがVDD電位のときは、トランジスタTN7,TN3およびTN1が導通状態であるので(それゆえにこの経路での放電によってセット入力端子SがVSS電位になったのであるが…)、トランジスタTN300がなくて図3と同じようになっていると、あるいはトランジスタTN300が導通状態であると、セット入力端子Sは相変わらずVSS電位のグランドにつながっていることになり、そのVSS電位が保持されるが、前記のように2入力EXNOR回路XNOR1からの充電開始信号CがVSS電位に反転することにより、トランジスタTN300が非導通状態に反転し、セット入力端子Sがグランドから絶縁されるようになる。また、充電開始信号CがVSS電位に反転することでPchトランジスタTP51が導通状態となるので、このトランジスタTP51を介してセット入力端子SがVSS電位からVDD電位に向けて充電されることになる。また、PchトランジスタTP50が導通状態となることから、PchトランジスタTP3→TP50の経路でもセット入力端子Sに対して充電が行われる。この充電動作は、充電期間ではなく、評価期間内に行われている。充電期間に入れば、従来通りの充電が行われる。すなわち、PchトランジスタTP6→TP11→TP2の経路でも、PchトランジスタTP10→TP1→TP50の経路でもセット入力端子Sへの充電が行われる。この充電によりセット入力端子SがVDD電位となると、2入力EXNOR回路XNOR1からの充電開始信号CがVDD電位に反転し、トランジスタTP50,TP51が非導通状態に反転するとともにトランジスタTN300が導通状態に反転する。
【0044】
上記とは逆に、セット入力端子SがVDD電位でリセット入力端子RがVSS電位のときは、トランジスタTN6,TN2およびTN1が導通状態であるので(それゆえにこの経路での放電によってリセット入力端子RがVSS電位になったのであるが…)、トランジスタTN300がなくて図3と同じようになっていると、あるいはトランジスタTN300が導通状態であると、リセット入力端子Rは相変わらずグランドにつながっていることになり、そのVSS電位が保持されるが、前記のように2入力EXNOR回路XNOR1からの充電開始信号CがVSS電位に反転することにより、トランジスタTN300が非導通状態に反転し、リセット入力端子Rがグランドから絶縁されるようになる。また、充電開始信号CがVSS電位に反転することでPchトランジスタTP51およびTP50が導通状態となるので、このトランジスタTP51,TP50を介してリセット入力端子RがVSS電位からVDD電位に向けて充電されることになる。また、PchトランジスタTP4→TP50の経路でもリセット入力端子Rに対して充電が行われる。この充電動作は、充電期間ではなく、評価期間内に行われている。充電期間に入れば、従来通りの充電が行われる。すなわち、PchトランジスタTP6→TP11→TP2→TP50の経路でも、PchトランジスタTP10→TP1の経路でもリセット入力端子Rへの充電が行われる。この充電によりリセット入力端子RがVDD電位となると、2入力EXNOR回路XNOR1からの充電開始信号CがVDD電位に反転し、トランジスタTP50,TP51が非導通状態に反転するとともにトランジスタTN300が導通状態に反転する。
【0045】
以上のように、半導体集積回路の設計に必要な機能を付け加えた場合において、評価期間中においてRSラッチ2の出力状態が確定した直後からRSラッチ2のセット入力端子Sとリセット入力端子Rとのうち低電位側電源電位のVSS電位となっていた方の入力端子に対する充電を開始するので、すなわち充電期間に入る前の段階から充電を開始することで実効的な充電期間を長くとっているので、その充電電荷量が大きく充電不足には陥らない。したがって、個々の系統におけるトランジスタのゲート幅を特に大きくしなくても、充分な充電量での充電が可能となり、きわめて高いクロック周波数にてリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップを動作させることができる。特に、クロック入力端子CLKに接続されたPchトランジスタTP1,TP2やテストデータ入力端子DTに接続されたPchトランジスタTP10,T11やリセット信号入力端子RSTNに接続されたPchトランジスタTP6のゲート幅を大きくしないでよく、それらの入力端子の入力容量を増加させ波形がなまるといった不都合を招かないですむ。また、PchトランジスタTP50,TP51のゲート幅は大きくしても同期上では特に問題とはならず、ゲート幅を大きくすることで、より急速な充電が可能となる。
【0046】
〔実施の形態2〕
実施の形態2は実施の形態1の変形にかかわるもので、従来の技術の場合の図5と同様にシンプルな形態にしたものである。図2に示すように、実施の形態1の場合と同様に、2入力EXNOR回路XNOR1とPchトランジスタTP50,TP51とNchトランジスタTN300とを同様に結線してある。動作および効果については実施の形態1の場合と同様である。
【0047】
【発明の効果】
D型フリップフロップについての本発明によれば次の効果を奏する。すなわち、評価期間においてRSラッチの2つの入力端子について互いに異なる状態の電位(低電位側電源電位と高電位側電源電位と)が確定したのちには、充電期間に移る前の段階でただちに独立した充電系統を駆動して充電を行うので、つまり評価期間から充電を開始するので、充電期間も合わせて実効的な充電期間を多めに確保し、クロック周波数の大幅な高速化にかかわらず充電不足を解消する。したがって、個々の充電系統におけるスイッチング素子のゲート等のサイズを特に大きくしなくてもよく、クロック入力端子の入力容量の増大を招くことなく、短時間での急速充電が可能となり、相当に高いクロック周波数でのD型フリップフロップの動作が可能となる。とりわけ、半導体集積回路の設計に必要な機能を付け加えると必要な電荷量が増えるが、これに対しても充分に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1のリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップの回路構成図
【図2】実施の形態2の差動−RSラッチ構成のD型フリップフロップの回路構成図
【図3】先行技術にかかわるリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップの回路構成図
【図4】従来の技術のリセット機能付きのスキャンテスト対応D型フリップフロップの回路構成図
【図5】従来の技術の差動−RSラッチ構成のD型フリップフロップの回路構成図
【符号の説明】
1……差動インバータ
2……RSラッチ
TP1,TP2,TP3,TP4,TP6,TP10,
TP11,TP20,TP50,TP51……Pch型MOSトランジスタ
TN1,TN2,TN3,TN4,TN5,TN6,TN7,
TN9,TN10,TN20,TN300……Nch型MOSトランジスタ
INV1,INV2,INV5,INV10,
INV20,INV21……インバータ回路
NAND1,NAND2……2入力NAND回路
XNOR1……2入力EXNOR回路
D……データ入力端子
DT……テストデータ入力端子
CLK……クロック入力端子
CKT……テスト用クロック入力端子
RSTN……リセット信号入力端子
S……セット入力端子
R……リセット入力端子
Q……データ出力端子
QN……反転データ出力端子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a D-type flip-flop in which a master latch is constituted by a differential inverter and a slave latch is constituted by an RS latch, and more particularly to a D-type flip-flop used in a semiconductor integrated circuit.
[0002]
[Prior art]
The D-type flip-flop includes a master latch of a differential inverter and a slave latch of an RS latch, and has a function of holding input data and outputting the held data in synchronization with a clock input signal. The function of the D-type flip-flop is that data input to the data input terminal D during the evaluation period of the clock input signal directly appears at the data output terminal Q. This D-type flip-flop is a basic element for a synchronous semiconductor integrated circuit.
[0003]
Hereinafter, a conventional flip-flop circuit will be described with reference to the drawings.
[0004]
FIG. 5 is a circuit configuration diagram of a D-type flip-flop having a differential-RS latch configuration in which the master latch is a differential inverter and the slave latch is an RS latch. In FIG. 5,
[0005]
The operation of the D-type flip-flop having the differential-RS latch configuration shown in FIG. 5 will be described. Since the gate of the transistor TN9 is connected to the DC power supply and is fixed at the VDD potential which is the higher potential power supply potential, it is always in a conductive state.
[0006]
First, the operation during the charging period will be described. When the clock input signal input to the clock input terminal CLK is at the VSS potential which is the lower potential power supply potential, the two Pch transistors TP1 and TP2 for charging are turned on, and the Nch transistor TN1 is turned off. Therefore, the set input terminal S of the
[0007]
Next, the operation during the evaluation period will be described. The period during which the clock input signal input to the clock input terminal CLK changes from the VSS potential to the VDD potential is the evaluation period. In the evaluation period, the charging Pch transistors TP1 and TP2 are turned off, and the Nch transistor TN1 is turned on. In this state, a difference in the output state of the D-type flip-flop due to a difference in data input to the data input terminal D will be described below.
[0008]
When the data input terminal D is at the VSS potential, the Nch transistor TN2 is off, and the output of the inverter circuit INV1 is at the VDD potential, so that the Nch transistor TN3 is on. The connection point n2 is connected to the ground of the VSS potential via the transistor TN3 and the transistor TN1, and as a result, the connection potential of the connection point n2 becomes faster than that of the connection point n1. Discharge occurs through TN7, and the set input terminal S becomes the VSS potential. Then, the Nch transistor TN6 whose gate has fallen to the VSS potential is inverted to a non-conductive state, and the driving Pch transistor TP3 whose gate has fallen to the VSS potential is inverted to a conductive state. The reset input terminal R is charged via the Pch transistor TP3 to have the VDD potential. Since the set input terminal S is at the VSS potential, the VDD potential is output to the inverted data output terminal QN. Since the reset input terminal R is at the VDD potential, the VSS potential is output to the data output terminal Q.
[0009]
Conversely, when the data input terminal D is at the VDD potential, the Nch transistor TN2 is conductive and the output of the inverter circuit INV1 is at the VSS potential, so that the Nch transistor TN3 is nonconductive. The connection point n1 is connected to the ground of the VSS potential through the transistor TN2 and the transistor TN1. As a result, the connection potential of the connection point n1 becomes faster than that of the connection point n2. Discharge occurs through TN6, and the reset input terminal R becomes the VSS potential. Then, the Nch transistor TN7 whose gate has fallen to the VSS potential is inverted to a non-conductive state, and the driving Pch transistor TP4 whose gate has fallen to the VSS potential is inverted to a conductive state. The set input terminal S is charged via the Pch transistor TP4 to have the VDD potential. Since the set input terminal S is at the VDD potential, the VSS potential is output to the inverted data output terminal QN. Since the reset input terminal R is at the VSS potential, the VDD potential is output to the data output terminal Q.
[0010]
In the conventional D-type flip-flop having the differential-RS latch configuration shown in FIG. 5, during the evaluation period, which of the set input terminal S and the reset input terminal R is used, as is clear from the above description of the operation. One is at the VSS potential and the other is at the VDD potential.
[0011]
Here, assuming that the charging period starts from a state where the set input terminal S is at the VSS potential and the reset input terminal R is at the VDD potential, the charging Pch transistor TP2 is turned on, and the charging Pch transistor TP2 is turned on. The set input terminal S is charged from the VSS potential to the VDD potential. During the charging period, the other charging Pch transistor TP1 also becomes conductive, but this transistor TP1 is for charging the reset input terminal R and is not connected to the set input terminal S. It does not function for charging the set input terminal S.
[0012]
Conversely, assuming that the charging period starts from a state where the set input terminal S is at the VDD potential and the reset input terminal R is at the VSS potential, the charging Pch transistor TP1 becomes conductive, The reset input terminal R is charged from the VSS potential to the VDD potential via the transistor TP1. During the charging period, the other charging Pch transistor TP2 also becomes conductive. However, this transistor TP2 is for charging the set input terminal S and is not connected to the reset input terminal R. It does not function for charging the reset input terminal R.
[0013]
When the charging period starts, the Pch transistors TP3 and TP4 are turned off.
[0014]
In a D-type flip-flop, a charging period generally requires a longer time than an evaluation period.
[0015]
Now, consider increasing the clock frequency of the D-type flip-flop. When the clock frequency is increased, one cycle is shortened. Therefore, both the evaluation period and the charging period are shortened. If the charging period is short, the charging may be insufficient, and the D-type flip-flop will not operate.
[0016]
In order to operate the D-type flip-flop at a high clock frequency, it is conceivable to increase the gate width of the charging Pch transistors TP1 and TP2. However, when the gate width is increased, since the gates of the transistors TP1 and TP2 are connected to the clock input terminal CLK, the input capacitance of the clock input terminal increases, and if so, the waveform becomes blunted. This is not preferable for synchronous control.
[0017]
In addition, when a function required for designing a semiconductor integrated circuit is added, the amount of charge required for charging the set input terminal S and the reset input terminal R increases, which also causes the D-type flip-flop to operate at a high clock frequency. It will be a hindrance to making it happen. This will be described with reference to FIG.
[0018]
FIG. 4 is a circuit configuration diagram of a scan test-compatible D-type flip-flop with a reset function in the case of the conventional technique. In FIG. 4, TP6, TP10, TP11 and TP20 are P-channel MOS transistors, TN4, TN5, TN10 and TN20 are N-channel MOS transistors, INV2, INV5, INV10, INV20 and INV21 are inverter circuits, DT is a test data input terminal, CKT is a test clock input terminal, and RSTN is a reset signal input terminal. Other symbols are the same as those in FIG.
[0019]
When a function required for designing a semiconductor integrated circuit is added as in the circuit of FIG. 4, the number of transistors connected to the set input terminal S and the reset input terminal R increases, so that the amount of charge that must be charged during the charging period Also increase. Therefore, when operating at a high clock frequency, insufficient charging becomes more serious.
[0020]
On the other hand, if the gate widths of the Pch transistors TP1, TP2, TP10, TP1, and TP6 are increased for high-speed charging, the input capacitance of the clock input terminal increases, which is not preferable for synchronization control.
[0021]
(Prior art)
Therefore, the present inventor has considered a scan test-compatible D-type flip-flop with a reset function having an improvement as shown in FIG. The D-type flip-flop shown in FIG. 3 will be referred to as prior art.
[0022]
Hereinafter, the prior art will be described in detail. The components will be described. In FIG. 3,
[0023]
The circuit configuration of FIG. 3 differs from that of FIG. 4 in the following point. Two Pch transistors TP30 and TP31 are cascaded between a set input terminal S and a reset input terminal R of the
[0024]
In the scan test-compatible D-type flip-flop with the reset function according to the prior art, the clock input terminal CLK is fixed to the VSS potential which is the lower potential power supply potential during the test operation. The test clock input terminal CKT is fixed at the VSS potential when the test operation is not performed. The reset signal input terminal RSTN is set to the VSS potential when the reset function is executed, and is set to the VDD potential which is the higher potential power supply potential in other cases.
[0025]
Next, the operation of the scan test-compatible D-type flip-flop with the reset function according to the related art having the above configuration will be described. Since the gate of the transistor TN9 is connected to the DC power supply and is fixed at the VDD potential which is the higher potential power supply potential, it is always in a conductive state.
[0026]
In a normal mode other than the test operation, the test clock input terminal CKT is at the VSS potential of the lower potential power supply potential, and the Pch transistors TP10, TP11 and TP30 are in a conductive state. In a state where the reset function is not executed, the reset signal input terminal RSTN is at the VDD potential of the high potential side power supply potential, the Pch transistor TP20 is turned off, and the Pch transistor TP6 is turned on via the inverter circuit INV5. , And the Nch transistor TN20 is non-conductive.
[0027]
Assume that the evaluation period has now come. The clock input signal input to the clock input terminal CLK changes from the VSS potential to the VDD potential, and the evaluation period starts. In the evaluation period, the charging Pch transistors TP1 and TP2 are turned off, and the Nch transistor TN1 is turned on. In this state, a difference in the output state of the D-type flip-flop due to a difference in data input to the data input terminal D will be described below.
[0028]
When the data input terminal D is at the VSS potential, the Nch transistor TN2 is off, and the output of the inverter circuit INV1 is at the VDD potential, so that the Nch transistor TN3 is on. The connection point n2 is connected to the ground of the VSS potential via the transistor TN3 and the transistor TN1, and as a result, the connection potential of the connection point n2 becomes faster than that of the connection point n1. Discharge occurs through TN7, and the set input terminal S becomes the VSS potential. Then, the Nch transistor TN6 whose gate has dropped to the VSS potential is inverted to a non-conductive state, the driving Pch transistor TP3 whose gate has dropped to the VSS potential is inverted to a conductive state, and as a result, the driving Pch transistor TP3 , The reset input terminal R is charged to the VDD potential. Since the set input terminal S is at the VSS potential and the reset input terminal R is at the VDD potential, the VDD potential is output to the output terminal of the
[0029]
Conversely, when the data input terminal D is at the VDD potential, the Nch transistor TN2 is conductive and the output of the inverter circuit INV1 is at the VSS potential, so that the Nch transistor TN3 is nonconductive. The connection point n1 is connected to the ground of the VSS potential through the transistor TN2 and the transistor TN1. As a result, the connection potential of the connection point n1 becomes faster than that of the connection point n2. Discharge occurs through TN6, and the reset input terminal R becomes the VSS potential. Then, the Nch transistor TN7 whose gate has dropped to the VSS potential is inverted to the non-conductive state, and the driving Pch transistor TP4 whose gate has dropped to the VSS potential is inverted to the conductive state. As a result, the set input terminal S is charged via the driving Pch transistor TP4 to have the VDD potential. Since the set input terminal S is at the VDD potential and the reset input terminal R is at the VSS potential, the VSS potential is output to the output terminal of the
[0030]
After the evaluation period, that is, after the clock input terminal CLK changes from the VDD potential to the VSS potential and enters the charging period, even if the state of the data input terminal D is inverted, the set input terminal S and the reset input terminal R remain Since both become the VDD potential, the internal state of the
[0031]
Next, the case of executing the reset function will be described. When the reset signal input terminal RSTN is switched from the VDD potential to the VSS potential, the Pch transistor TP20 is inverted to the conductive state, and the reset input terminal R is connected to the DC power supply of the VDD potential via the transistor TP20. Further, the output terminal of the inverter circuit INV5 becomes the VDD potential, the Nch transistor TN20 is inverted to the conductive state, and the set input terminal S is connected to the VSS potential ground through the transistor TN20. When the set input terminal S is pulled to the VSS potential, the Pch transistor TP3 is turned on, and the Nch transistor TN6 is turned off. Therefore, regardless of the state of the Nch transistors TN1 and TN2, the reset input terminal R Does not occur, and conversely, the reset input terminal R is charged through the Pch transistor TP3. The charging of the reset input terminal R is also performed via the Pch transistor TP20. When the reset input terminal R is pulled to the VDD potential, the Pch transistor TP4 is turned off and the Nch transistor TN7 is turned on, so that the charging of the set input terminal S via the Pch transistor TP4 does not occur, and the set Discharge is performed from the input terminal S via the Nch transistor TN20. As a result, the set input terminal S has the VSS potential and the reset input terminal R has the VDD potential. The VDD potential is output to the output terminal of the
[0032]
Next, an operation at the time of shifting from the evaluation period to the charging period will be described.
[0033]
First, a description will be given of a case where the state is shifted from the state where the set input terminal S is at the VSS potential and the reset input terminal R is at the VDD potential to the charging period. The transition to the charging period means that the clock input terminal CLK switches from the VDD potential to the VSS potential. When the clock input terminal CLK becomes the VSS potential, the Pch transistors TP1, TP2 and TP31 become conductive. Note that, during the evaluation period before switching, the Pch transistors TP6, TP10, and TP11 are in a conductive state. Therefore, the switching of the clock input terminal CLK charges the set input terminal S from the VSS potential to the VDD potential via the Pch transistors TP6, TP11 and TP2. The set input terminal S is also charged through the path of the Pch transistors TP10 → TP1 → TP31 → TP30. Further, since the potential of the gate and the drain of the Pch transistor TP4 become equal, the transistor TP4 is kept conductive, and the set input terminal S is charged via the transistor TP4 until the charging is completed. Note that the state of the VSS potential of the data output terminal Q and the state of the VDD potential of the inverted data output terminal QN are unchanged.
[0034]
Next, a case will be described in which the state is shifted from the state where the set input terminal S is at the VDD potential and the reset input terminal R is at the VSS potential to the charging period. When the clock input terminal CLK switches from the VDD potential to the VSS potential, the Pch transistors TP1, TP2, and TP31 become conductive. Note that, during the evaluation period before switching, the Pch transistors TP6, TP10, and TP11 are in a conductive state. Therefore, the switching of the clock input terminal CLK causes the reset input terminal R to be charged from the VSS potential to the VDD potential via the Pch transistors TP10 and TP1. The reset input terminal R is also charged through the path of the Pch transistors TP6 → TP11 → TP2 → TP30 → TP31. Further, since the gate and the drain of the Pch transistor TP3 have the same potential, the transistor TP3 is kept conductive, and the reset input terminal R is charged through the transistor TP3 until the charging is completed. Note that the state of the VDD potential of the data output terminal Q and the state of the VSS potential of the inverted data output terminal QN are unchanged.
[0035]
In the above, the case of the normal operation mode has been described, but the operation is exactly the same in the test operation mode. The clock input terminal CLK is set to the VSS potential. Thereby, Pch transistors TP1, TP2 and TP31 are turned on. The test clock input terminal CKT is switched between the VSS potential and the VDD potential, and the test data input terminal DT is also switched between the VSS potential and the VDD potential. At the time of this test, both the set input terminal S and the reset input terminal R may be at the VSS potential. If the output of the
[0036]
As described above, in the scan test-compatible D-type flip-flop with the reset function according to the prior art shown in FIG. 3 to which the functions necessary for the design of the semiconductor integrated circuit are added, during the charging period switched from the evaluation period, Immediately before the switching, charging is performed simultaneously by a plurality of systems on the input terminal of the set input terminal S and the reset input terminal R of the
[0037]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of the scan test-compatible D-type flip-flop having the reset function according to the prior art shown in FIG. 3, the charging of the set input terminal S and the reset input terminal R of the
[0038]
[Means for Solving the Problems]
A D-type flip-flop according to the present invention, in which the master latch is formed by a differential inverter and the slave latch is formed by an RS latch, has different potentials for two input terminals of the RS latch during the evaluation period. After the low-potential-side power supply potential and the high-potential-side power supply potential have been determined, immediately before the transition to the charging period, an independent charging system is established based on the charging start signal generated due to the determination. Is driven to perform charging. Since charging is started from the evaluation period, the effective charging period is secured longer in accordance with the charging period, and the insufficient charging is eliminated even if the clock frequency becomes considerably high.
[0039]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A D-type flip-flop according to a first aspect of the present invention is a D-type flip-flop in which a master latch is constituted by a differential inverter and a slave latch is constituted by an RS latch. A two-input EXNOR circuit and a first switching element are inserted between the input terminal and the input terminal, and a second switching element for charging is connected to at least one of the set input terminal and the reset input terminal. A third switching element is inserted between the first switching element and the ground, and the first to third switching elements are turned on based on a charge start signal from a two-input EXNOR circuit. Here, the EXNOR circuit is an exclusive logic NOR circuit. Immediately after the output state of the RS latch is determined during the evaluation period, charging of the input terminal which is the lower potential power supply potential (VSS potential) of the set input terminal and the reset input terminal of the RS latch starts. In other words, since the effective charging period is lengthened by starting charging from the stage before entering the charging period, even if the charge amount is large and the clock frequency is significantly increased, there is no shortage of charging. Do not fall. Therefore, it is not necessary to particularly increase the size of the gates and the like of the switching elements in each system, that is, rapid charging can be performed in a short time without increasing the input capacitance of the clock input terminal. The operation of the D-type flip-flop at the clock frequency becomes possible. In particular, when a function necessary for designing a semiconductor integrated circuit is added, the required amount of charge increases, but this can be sufficiently dealt with. In this case, since charging can be started by a signal different from the clock input signal, the size of a gate or the like of a switching element for charging may be increased.
[0040]
Hereinafter, specific embodiments of a D-type flip-flop according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0041]
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a scan test compatible D-type flip-flop with a reset function according to the first embodiment. In FIG. 1, the same reference numerals as those in FIG. 3 of the prior art indicate the same elements in the first embodiment, and therefore detailed description will be omitted. The configuration of the first embodiment is different from that of the prior art as follows. TP50 and TP51 are Pch-type MOS transistors, TN300 is an Nch-type MOS transistor, and XNOR1 is a two-input EXNOR circuit, that is, an exclusive logic NOR circuit. The drain of the Pch transistor TP50 is connected to the set input terminal S, and the source is connected to the reset input terminal R. The drain of the Pch transistor TP51 is connected to the DC power supply having the VDD potential of the high potential side power supply potential, and the source is connected to the set input terminal S. Two input terminals of a two-input EXNOR circuit XNOR1 are connected to a set input terminal S and a reset input terminal R, respectively, and output terminals thereof are connected to gates of Pch transistors TP50 and TP51. The sources of the Nch transistors TN1 and TN10 are connected to each other, the drain of the Nch transistor TN300 is connected to the source, and the source is connected to the ground of the VSS potential of the lower potential side power supply potential. The output terminal of the two-input EXNOR circuit XNOR1 is connected to the gate of the Nch transistor TN300. C is a charge start signal output from the two-input EXNOR circuit XNOR1. There are no Pch transistors TP30 and TP31 in the case of the prior art. The Pch transistor TP50 corresponds to the first switching element according to
[0042]
Next, the operation of the first embodiment will be described. As in the case of the prior art, during the evaluation period, one of the set input terminal S and the reset input terminal R of the
[0043]
When the set input terminal S is at the VSS potential and the reset input terminal R is at the VDD potential, the transistors TN7, TN3, and TN1 are conducting (therefore, the set input terminal S is brought to the VSS potential by the discharge on this path). However, if the transistor TN300 is omitted and the configuration is the same as that of FIG. 3 or the transistor TN300 is in a conductive state, the set input terminal S is still connected to the ground of the VSS potential, Although the VSS potential is held, the transistor TN300 is inverted to the non-conductive state by the inversion of the charge start signal C from the two-input EXNOR circuit XNOR1 to the VSS potential as described above, and the set input terminal S is connected to the ground. It becomes insulated. Further, since the Pch transistor TP51 is turned on by inverting the charge start signal C to the VSS potential, the set input terminal S is charged from the VSS potential to the VDD potential via the transistor TP51. Further, since the Pch transistor TP50 is turned on, the set input terminal S is charged also on the path from the Pch transistor TP3 to the TP50. This charging operation is performed not in the charging period but in the evaluation period. When the charging period starts, the charging is performed as usual. That is, the charging to the set input terminal S is performed on the path of the Pch transistors TP6 → TP11 → TP2 and the path of the Pch transistors TP10 → TP1 → TP50. When the set input terminal S becomes the VDD potential due to this charging, the charge start signal C from the two-input EXNOR circuit XNOR1 is inverted to the VDD potential, and the transistors TP50 and TP51 are inverted to the non-conductive state and the transistor TN300 is inverted to the conductive state. I do.
[0044]
Conversely, when the set input terminal S is at the VDD potential and the reset input terminal R is at the VSS potential, the transistors TN6, TN2 and TN1 are conducting (therefore, the reset input terminal R Has reached the VSS potential ...), but if the transistor TN300 is omitted and the configuration is the same as that of FIG. 3, or if the transistor TN300 is conductive, the reset input terminal R is still connected to the ground. And the VSS potential is maintained, but as described above, the charge start signal C from the two-input EXNOR circuit XNOR1 is inverted to the VSS potential, so that the transistor TN300 is inverted to the non-conductive state, and the reset input terminal R Is insulated from the ground. Further, since the Pch transistors TP51 and TP50 are turned on when the charge start signal C is inverted to the VSS potential, the reset input terminal R is charged from the VSS potential to the VDD potential via the transistors TP51 and TP50. Will be. Also, charging is performed on the reset input terminal R in the path from the Pch transistor TP4 to the TP50. This charging operation is performed not in the charging period but in the evaluation period. When the charging period starts, the charging is performed as usual. That is, the reset input terminal R is charged through the path of the Pch transistor TP6 → TP11 → TP2 → TP50 and the path of the Pch transistor TP10 → TP1. When the reset input terminal R becomes the VDD potential by this charging, the charge start signal C from the two-input EXNOR circuit XNOR1 is inverted to the VDD potential, and the transistors TP50 and TP51 are inverted to the non-conductive state and the transistor TN300 is inverted to the conductive state. I do.
[0045]
As described above, when the functions necessary for the design of the semiconductor integrated circuit are added, the set input terminal S and the reset input terminal R of the
[0046]
[Embodiment 2]
The second embodiment relates to a modification of the first embodiment, and has a simple form as in FIG. 5 in the case of the related art. As shown in FIG. 2, similarly to the first embodiment, the two-input EXNOR circuit XNOR1, the Pch transistors TP50 and TP51, and the Nch transistor TN300 are similarly connected. The operation and effect are the same as those in the first embodiment.
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention for the D-type flip-flop, the following effects can be obtained. That is, after the potentials of the two input terminals of the RS latch that are in different states (low-potential-side power supply potential and high-potential-side power supply potential) are determined in the evaluation period, the two independent input terminals are immediately independent at the stage before the transition to the charging period. Since the charging is driven by driving the charging system, that is, charging is started from the evaluation period, a longer effective charging period is secured together with the charging period, and shortage of charging is achieved regardless of the significant increase in clock frequency. To eliminate. Therefore, the size of the gate of the switching element in each charging system does not need to be particularly large, and rapid charging can be performed in a short time without increasing the input capacity of the clock input terminal. The operation of the D-type flip-flop at the frequency becomes possible. In particular, when a function necessary for designing a semiconductor integrated circuit is added, a necessary charge amount increases. However, it is possible to sufficiently cope with this.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a scan test-compatible D-type flip-flop with a reset function according to a first embodiment;
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of a D-type flip-flop having a differential-RS latch configuration according to a second embodiment;
FIG. 3 is a circuit configuration diagram of a scan test compatible D-type flip-flop with a reset function according to the prior art.
FIG. 4 is a circuit configuration diagram of a D-type flip-flop corresponding to a scan test with a reset function according to the related art
FIG. 5 is a circuit configuration diagram of a conventional D-type flip-flop having a differential-RS latch configuration.
[Explanation of symbols]
1 ... Differential inverter
2. RS latch
TP1, TP2, TP3, TP4, TP6, TP10,
TP11, TP20, TP50, TP51 ... Pch type MOS transistor
TN1, TN2, TN3, TN4, TN5, TN6, TN7,
TN9, TN10, TN20, TN300 ... N-channel MOS transistor
INV1, INV2, INV5, INV10,
INV20, INV21 ... Inverter circuit
NAND1, NAND2... 2-input NAND circuit
XNOR1 2-input EXNOR circuit
D: Data input terminal
DT: Test data input terminal
CLK: Clock input terminal
CKT: Test clock input terminal
RSTN: Reset signal input terminal
S: Set input terminal
R: Reset input terminal
Q: Data output terminal
QN: Inverted data output terminal
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