DE1150117B - Kontaktloser logischer Schaltkreis - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf logische Schaltkreise und im besonderen auf einen mit Transistoren
arbeitenden, logische Funktionen erfüllenden Steuerbaustein.
Es ist wünschenswert und üblich, völlig geschlossene und vergossene Standardsteuerblöcke für die
Anwendung in logischen Netzwerken vorzusehen. Ein solches Netzwerk besteht aus einzelnen universell
einsatzfähigen logischen Steuerbausteinen, die die gewünschten logischen Funktionen durch geeignete
Schaltkombinationen (Verknüpfungen) aufzubauen erlauben.
Bekannte logische Baueinheiten sind als Umkehrstufen
mit mehreren Odereingängen (Nor-Elemente) aufgebaut. Nachteilig ist bei diesen, daß die Größe
ihrer Ausgangsspannung von der Anzahl der nachgeschalteten Steuerstufen abhängt. Je mehr solcher
Stufen nachgeschaltet sind, um so geringer ist diese Spannung. Der besondere Wert solcher Steuerbausteine
wird dabei dadurch beeinträchtigt, daß ihre Anwendung in einem logischen Netzwerk durch die
maximal zulässige Kollektorspannung der in den Bausteinen enthaltenen Transistoren begrenzt wird,
so daß die Ausgangsspannung mit der Anzahl der nachgeschalteten Bauelemente sinkt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem logischen Steuerkreis in Form eines abgeschlossenen
Blocks, der geeignet ist, mit anderen Blocks gleicher oder anderer Art zu einem logischen
Netzwerk verknüpft zu werden. Die Erfindung bezieht sich dabei auf einen sich selbsttätig Spannungskompensierenden
logischen Steuerkreis, d. h. einen Kreis, dessen Ausgangsspannung selbst bei Nachschaltung
einer Vielzahl weiterer Stufen konstant bleibt, solange von den vorgeschriebenen Daten des
benutzten Halbleiters nicht abgewichen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, in diesem Sinne ein neues und vorteilhaftes widerstandsgekoppeltes selbsttätig
spannungskompensiertes logisches Bauelement aufzubauen, bei dem die Ausgangsspannung bzw. die
Eingangsspannungen für die folgenden Stufen unabhängig von der Anzahl der nachgeschalteten Stufen
konstant bleiben.
Im besonderen soll ein spannungskompensiertes Nor-Gatter bzw. ein Undgatter mit Umkehrfunktion
geschaffen werden; die gebildeten Blocks sollen jeder für sich zur Verwendung in logischen Netzwerken
völlig abgeschlossen sein.
Jeder dieser Steuerbausteine soll im übrigen mit den verschiedenartigsten anderen Bauelementen zusammenschaltbar
sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung Kontaktloser logischer Schaltkreis
Anmelder:
Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. P. Ohrt, Patentanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. November 1960 (Nr. 71646)
V. St. v. Amerika vom 25. November 1960 (Nr. 71646)
Richard L. Bright, Adamsburg, Pa. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
sollen an Hand der Beschreibung und des Anspruches in Verbindung mit der Zeichnung erläutert werden.
In der Zeichnung veranschaulicht
Fig. 1 die Schaltung eines Nor-Gatters bekannter Art,
Fig. 2 die Verkörperung eines Bauelements nach der Erfindung und
Fig. 3 bis 6 Schaltungsanordnungen, die die Anpassungsfähigkeit des Erfindungsgegenstandes an verschiedene
logische Schaltungen und Relaisschaltungen offenbaren sollen.
Der widerstandsgekoppelte Transistorschaitkreis gemäß Fig. 1 ist in seiner Art bekannt und stellt ein
nicht spannungskompensiertes Nor-Gatter dar. Das Gatter 2 enthält einen Transistor T üblicher Bauweise
in pnp-Ausführung. Der Transistor T besitzt eine Basiselektrode, eine Emitterelektrode und eine Kollektorelektrode.
Der Emitter ist geerdet. Die Basis ist über EntkopplungswiderständeRl mit einer Mehrzahl
von Eingangsklemmen verbunden. Die Anzahl der Eingangsklemmen und Entkopplungswiderstände
ist entsprechend den später zu erläuternden Grenzen gewählt. Ein Widerstand R 3 verbindet die Basis mit
dem positiven Pol +VBB der Spannungsquelle, während
ein Strombegrenzungswiderstand Ας im Kollektorkreis
des Transistors den Kollektor mit dem negativen Pol —Vcc dieser Spannungsquelle verbindet.
Der Kollektor ist weiterhin an eine Ausgangsklemme Y geführt, an welche eine Mehrzahl von EingangswiderständenÄL4,
RIB, RIC ... RIX der nachgeschalteten logischen Bauelemente angeschlossen
sein kann.
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veranschaulichten Art darin, daß der Kollektorwiderstand RC nicht mit einem festen Wert in das abgeschlossene
Bauelement eingefügt ist, sondern daß dieser Widerstand davon getrennt und in seiner Größe
5 veränderbar ist und einen Wert aufweist, der von der Anzahl der nachgeschalteten Stufen abhängig ist,
derart, daß die Ausgangsspannung praktisch konstant gehalten wird.
Solch ein Aufbau arbeitet zufriedenstellend, wenn
Die positive Batteriespannung +VBB hält über den
WiderstandR3 den Transistor!1 in gesperrtem Zustand.
Liegt positives Signal (O-Signal) oder kein Signal an einer der Eingangsklemmen an, so ist der
Transistor T in seinem nichtleitenden Zustand, und die Ausgangsklemme Y führt eine Spannung, die ungefähr
auf dem Potential der negativen Batterieklemme — Vcc liegt, d. h., die Klemme Y führt
L-Signal. Wird negatives Potential (L-Signal) an eine,
mehrere oder alle der Eingangsklemmen angelegt, so 10 das logische Bauelement durch Einfügung besonderer
wird der Transistor T durchlässig und verhält sich Schaltelemente in den gedruckten Stromkreis aufgewie
ein Schalter in leitendem Zustand. Dadurch be- baut werden kann. Wenn aber ein vollständig abgerindet
sich die Ausgangsklemme Y auf (positivem) schlossener Baustein gewünscht wird, dann stellt
Erdpotential, d. h., der Ausgang Y führt O-Signal. dieser besonders zu bemessende Widerstand einen
Der Baustein 2 ist, wie in der zeichnerischen Dar- i5 Mißstand dar, weil eine langwierige Berechnung notstellung
durch den gestrichelten Rahmen angedeutet wendig ist, um den Wert des zu verwendenden Kolsein
soll, in sich abgeschlossen und enthält die Fest- lektorwiderstandes Rc festzulegen. Die Folge sind zuwiderstände
R1, R 3 und RC sowie den Transtitor T. sätzliche Montage- und Überwachungsarbeiten.
Eine nach oben begrenzte Anzahl von Eingängen Das logische Bauelement nach der Erfindung verweiterer
anderer Bausteine kann an den Ausgang 2o meidet die vorerwähnten Schwierigkeiten. Seine
einer solchen abgeschlossenen Baueinheit angeschlos- Schaltung ist in der Fig. 2 veranschaulicht, die ein
sen werden, während nicht benötigte Eingänge oder selbsttätig kompensiertes logisches Gatter 4 mit einem
Klemmen offen (potentialfrei) gelassen werden. Es ist pnp-Transistor T veranschaulicht. Auch dieser Trannur
möglich, eine geringe Anzahl von Eingängen sistor hat eine Basiselektrode, eine Emitterelektrode
nachfolgender Bauelemente, die ja eine Belastung dar- 25 und eine Kollektorelektrode. Der Emitter ist geerdet
stellen, an die Ausgangsklemme derartiger logischer bzw. auf ein Bezugspotential gelegt. Der Kollektor ist
Elemente 2 anzuschalten, weil sonst die Belastungs- aber ausschließlich mit der Ausgangsklemme Y vergrenze
des Transistors T überschritten werden könnte. bunden. Die Basis ist — wie sonst auch üblich — mit
Beim Aufbau eines solchen Bauelementes für die einer Mehrzahl von Eingangsklemmen 6, 8 und 10
Verwendung in logischen Netzwerken ist es außer- 30 über Entkopplungswiderstände Rl verbunden und
ordentlich wünschenswert, ein solches Bauelement liegt ferner über einen Widerstand R 3 an dem Pol
weitgehend an die vielfältigen Erfordernisse anzu- + VBB der Versorgungsspannungsquelle. Jede Einpassen.
Solch ein Element soll ausgangsseitig an eine gangsklemme ist jedoch noch über je einen zusätz-Vielzahl
von Stufen, die Belastungen darstellen, an- liehen Widerstand jR 2 mit dem negativen Spannungsschließbar
sein. Diese Anzahl kann aber entsprechend 35 pol — Vcc der Versorgungsspannungsquelle verden
Erfordernissen in einem größeren oder kleineren bunden.
logischen Netzwerk außerordentlich verschieden sein. Die Größe des Widerstandes R 3 ist an sich so ge-
Die Hauptschwierigkeit der Anwendung nichtkompen- wählt, daß ein solcher Steuerstrom über die Basis
sierter Nor-Gatter oder Umkehrstufen 2 besteht darin, zum Emitter und nach Erde fließt, daß der Transistor
daß deren Ausgangsspannung von der Anzahl der 40 in gesperrtem Zustand gehalten wird. Die Widernachgeschalteten
Stufen abhängig ist. Je mehr Ein- stände R2 und Rl dagegen sind hinsichtlich ihrer
gangswiderstände nachfolgender Stufen an den KoI- Größe so bemessen, daß ein Steuerstrom entgegenlektorwiderstand
RC des nicht kompensierten Nor- gesetzter Richtung über die Basis fließt, wobei die
Elementes 2 angeschlossen sind, um so geringer wird Stromstärke so gewählt ist, daß sie dem ersten Steuerdie
Ausgangsspannung an den Widerständen RIA, 45 strom gegenüber überwiegt und den Transistor in
RIB, RIC, RIX der folgenden Stufen sein, und es ist seinen leitenden Zustand umsteuert. Mit anderen
durchaus möglich, daß ein Gatter dabei derart über- Worten sind die Größen der Widerstände Rl, R2
lastet wird, daß die Amplitude des Eingangssignals und Jf? 3 im einzelnen so gewählt, daß der negative
für die folgenden Stufen nicht mehr ausreicht, um Spannungsanteil Fcc genügend groß ist, um den posidiese
nachfolgenden Stufen sicher durchzusteuern. Je 5o tiven Spannungsanteil VBB zu überwinden, damit eine
mehr Stufen nachgeschaltet sind, um so geringer wird negative Spannung an der Basis gegenüber dem
Emitter auftritt. Der pnp-Transistor Γ ist dann durchlässig. Ist aber der Transistor T durchgesteuert, dann
führen der Ausgang Y bzw. die Eingangsklemmen der nachfolgenden Belastungselemente O-Signal.
Jede Eingangsklemme 6, 8 und 10 sichert, wenn sie geerdet wird, für den durch die Widerstände R1,
R 2 fließenden Steuerstrom entgegengesetzter Richtung einen Nebenschlußweg von ~VCC über R2
nach Erde. Infolgedessen fließt dann ein Steuerstrom bestimmter Richtung noch einmal über die Basis des
Transistors und hält diesen in gesperrtem Zustand.
Entspricht einem L-Signal eine negative Spannung am Eingang und einem O-Signal die Erdung des Einganges,
dann kann die Spannung — Vcc als eine Vorspannung
betrachtet werden, die ein Eingangssignal über jede WiderstandskombinationR1 und R2 zur
Basis des Transistors T führt. Wird jede Eingangs-
diese Signalspannung sein.
Das nicht kompensierte Gatter 2 hat den Nachteil, daß die Stromkreisparameter nachfolgenden beiden
Bedingungen genügen müssen:
1. Die Signalspannung, die auftritt, wenn nur ein einziger Eingang eines folgenden Bausteines als
Last an die Ausgangsklemme Y angeschlossen ist, darf nicht die für den Transistor maximal
zulässige Kollektorspannung überschreiten.
2. Die Spannung, die auftritt, sobald die maximal zulässige Anzahl von Eingangsklemmen an den
Ausgang Y angeschlossen ist, muß noch genügend hoch sein, um jede der nachfolgenden
Steuerstufen in die Sättigung zu treiben.
Das Gatter nach der Erfindung, das planmäßig spannungskompensiert ist, unterscheidet sich von den
bekannten nicht kompensierten Gattern der in Fig. 1
klemme geerdet, so ist die Vorspannung — Vcc unwirksam
wegen des dann direkt mit Erde verbundenen Widerstandes R 2. Beim Erden aller Eingangsklemmen wird +VBB somit eine positive Vorspannung
an der Basis gegenüber dem geerdeten Emitter des Transistors T hervorrufen, was zur Folge hat, daß
ein Steuerstrom von der Basis über den Emitter nach Erde verläuft, wodurch der Transistor gesperrt gehalten
wird.
Man kann auch umgekehrt verfahren und ein L-Signal durch Erdung der Eingangsklemme bilden
bzw. ein O-Signal durch Anlegen einer negativen Spannung an jeden Eingang. Wird in dieser Weise
gearbeitet, dann wird das Erden der Eingangsklemme als Eingangssignal ausgewertet. Bei dieser Arbeitsweise
stellt das logische Element 4 gemäß Fig. 2 ein Undgatter mit Umkehrfunktion dar. Eine solche
Funktion ist als NAND-Funktion oder STROKE bekannt.
Alle Widerstände, die in dem kompensierten Gatter 4 verwendet sind, haben einen festen Wert und
können völlig mit dem Transistor zu einer Baueinheit vergossen werden. Ein geringer Unterschied beim Gebrauch
des in Fig. 2 veranschaulichten Gatters im Vergleich mit Gattern der bekannten Art ist darin zu
sehen, daß die nicht benötigten Eingangsklemmen geerdet werden müssen, anstatt offen (potentialfrei)
gelassen zu werden. Mit den selbsttätig kompensierten logischen Bausteinen nach Fig. 2 können, wie früher,
auch mit den unkompensierten Bausteinen, beliebige logische Netzwerke aufgebaut werden. Da der Signaipegel
durch die Serienwiderstandskombination bestimmt ist, ist die Spannung an jeder folgenden Eingangswiderstandskombination
R2 und Rl, die die Last für das Gatter 4 bildet, unabhängig von der Anzahl
der nachgeschalteten auszusteuernden Stufen. Die Signalspannung des kompensierten logischen
Schaltkreises 4 ist unabhängig von der Anzahl der Ausgangsbelastungen, da die Mindeststeuerspannung,
die notwendig ist, um jede der folgenden Stufen in die Sättigung zu treiben, praktisch die gleiche ist wie
die maximal zulässige Kollektorspannuhg bei Anschluß nur einer Eingangsklemme der folgenden Stufe
an den Ausgang Y des Gatters 4. Dementsprechend ist die Mindeststeuerspannungsbedingung weniger
hemmend im Vergleich zu der bei nicht kompensierten logischen Bausteinen der bisher üblichen Art.
Die Nachteile der nicht kompensierten Gatter bekannter Art werden überwunden, da die Mindest-·
Steuerspannung in der oben angegebenen zweiten Bedingung die gleiche ist wie die maximale Spannung
für die erste Bedingung.
Die Anwendung selbsttätig kompensierter Transistorsteuerstufen 4 hat verschiedene Vorteile im Vergleich
mit nicht kompensierten logischen Stufen der früheren Art, da bei einer vorgeschriebenen Maximalanzahl
von Eingängen und Ausgängen das Bauelement 4 eine geringere Leistung erfordert. Für einen
vorgeschriebenen Transistor kann bei einem selbsttätig kompensierten logischen Steuerbaustein eine
größere Anzahl von Eingängen und Ausgängen vorgesehen werden.
Zu den bereits erwähnten Vorteilen kommt hinzu, daß die besondere Ausführung des logischen Bausteines
nach Fig. 2 gewisse Anwendungsvorteile aufweist. So ist es beispielsweise möglich, wie aus der
Fig. 3 ersichtlich ist, Dioden-Undgatter auf der Eingangs- und /oder Ausgangsseite des Transistors vorzusehen.
Die Fig. 3 zeigt ein typisches logisches Netzwerk, wo Dioden-Undgatter mit selbsttätig kompensierten
logischen Stufen 12 und 14 unter Anwendung der Erfindung vorgesehen sind. Die Dioden-Undgatter
D sind an die Eingangsseite der Elemente 12 und 14 geschaltet. Ebenso sind Dioden-Undgatter an
die Ausgnagsseite des Elementes 12 angeschlossen. Zusätzliche Widerstände sind nicht erforderlich. Die
einzigen zusätzlichen Bauelemente, die notwendig ίο sind, sind die Dioden selbst. Eine solche Zusammenschaltmöglichkeit
besteht bei nicht kompensierten Gattern nicht, da sonst besondere Widerstände an
den Dioden-Gatterausgängen erforderlich werden.
Weitere Vorteile der kompensierten logischen Bausteine gegenüber solchen der früheren Art ergeben
sich aus den Fig. 4, 5 und 6.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Anzahl der zulässigen Ausgangsbelastungen durch Parallelschalten
der Eingänge verdoppelt werden kann. Beispielsweise kann eine für sechs Ausgangsbelastungen bemessene
logische Steuerstufe mit sechs Eingängen nun dazu verwendet werden, zwölf Ausgangsbelastungen zu
steuern, wenn die Eingänge jeder der nachfolgenden Stufen paarweise parallel geschaltet werden, wie dies
das Gatter in Fig. 4 veranschaulicht, das auf diese Weise drei Eingänge aufweist, an die entsprechende
Ausgänge vorangehender Stufen anschaltbar sind.
Fig. 5 veranschaulicht eine weitere Anwendungsmöglichkeit logischer Schaltkreise nach der Erfindung,
-^o Die Zahl der Eingänge kann vervielfacht werden,
wenn man die verschiedenen Ausgänge parallel schaltet. Ein logisches Element mit achtzehn Eingängen
kann aus drei logischen Bausteinen A, B und C erhalten
werden, von denen jedes sechs Eingänge aufweist und deren drei Ausgänge an der Klemme Y
zusammengefaßt sind.
Die beiden Möglichkeiten, die in Fig. 4 und 5 gezeigt sind, ergeben einen Vorteil dann, wenn zeitweilig
eine große Anzahl von Eingängen und Ausgangen benötigt wird. Jeder Baustein kann eine vergleichsweise
geringere Anzahl von Ein- und Ausgängen haben, während die Forderung nach weiteren Ein-
und Ausgangsklemmen durch die Methode, die in den Fig. 4 und 5 veranschaulicht ist, erfüllbar ist. Als
Ergebnis resultiert eine viel geringere Leistungsverschwendung, als wenn alle Einheiten je die gewünschte
größere Anzahl von Eingängen und Ausgängen aufweisen würden.
Das selbsttätig kompensierte logische Element 4 nach der vorliegenden Erfindung kann eine Vielzahl
der verschiedenartigsten Ausgangsglieder oder Kombinationen davon schalten, solange die Maximalspannungs-
und -stromwerte nicht überschritten werden. So zeigt beispielsweise die Fig. 6 ein logisches Netzwerk,
bei dem ein selbsttätig kompensierter logischer Baustein 24 sowohl einen Eingang eines anderen
kompensierten logischen Bausteines 26 als auch ein Relais 28 steuern kann. Das Relais 28 ist an die Ausgangsklemme
Y des Elementes 24 über eine HaIbleiterdiode 30 angeschlossen, um Stromleitung in der
Rückwärtsrichtung zu verhindern, wenn der Transistor der vorhergehenden Stufe gesperrt ist.
Auf diese Weise ist deutlich gemacht, daß die vorliegende Erfindung einen logischen Schaltkreis mit
großer Anpaßfähigkeit zum Gegenstand hat, der als Baustein besonders in logischen Netzwerken Anwendung
finden kann. Im Vergleich mit konventionellen, nicht kompensierten Gattern der früheren
Art wird die Anpaßfähigkeit durch (Nt—1) zusätzliche
Widerstände erzielt, wobei Nt gleich der Anzahl der Eingänge ist. Das ergibt sich im wesentlichen
durch die vorerwähnten Vorteile des gleichmäßigen Aufbaus und der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.
Ist eine kapazitive Kopplung zwischen den Stufen notwendig, so kann diese direkt auf die Transistorbasis
einwirken.
An Stelle von pnp-Transistoren können natürlich auch npn-Transistoren angewendet werden, wobei
sich die Polungen der verwendeten Spannungen entsprechend verändern. Die Widerstandselemente R1
und Rl können aus linearen oder nichtlinearen Widerständen bestehen. Beispielsweise kann das
Widerstandselement R1 aus einem Gleichrichter oder
aus einer Gruppe von hmtereinandergeschalteten oder parallel geschalteten Gleichrichtern und/oder Widerständen
gebildet sein; es kann aber auch ein komplexer Widerstand, z. B. eine Parallelschaltung aus
Kondensator und Widerstand, in Betracht gezogen werden.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH:Kontaktloser logischer Schaltkreis mit einem Eingang oder mehreren Eingängen, von denen jeder über einen Entkopplungswiderstand mit der im Sperrsinn vorgespannten Basis eines steuerbaren Halbleiters (Transistors) verbunden ist, dessen Emitter an einem Bezugspotential liegt und dessen Kollektor den Ausgang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das eingangsseitige Ende jedes Entkopplungswiderstandes (i?l) über je einen zusätzlichen, linearen, nichtlinearen oder komplexen Widerstand (R 2) mit dem das Versorgungspotential führenden Pol (— Vcc) der Speisespannungsquelle verbunden ist, so daß nach Herstellen einer elektrischen Steuerverbindung vom Ausgang des einen zu einem Eingang des folgenden, entsprechend aufgebauten Schaltkreises der dem Eingang dieses Schaltkreises zugeordnete Zusatzwiderstand (R2) den Kollektorwiderstand des dem vorgeschalteten Schaltkreis zugeordneten Transistors bildet.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen© 309 600/200 6.
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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-
1961
- 1961-11-10 DE DEW31043A patent/DE1150117B/de active Pending
- 1961-11-15 CH CH1325661A patent/CH406302A/de unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
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