DE1153415B - Bistabile Kippstufe mit Vorspannschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine bistabile frequenzteilende Kippstufe mit zwei bistabilen Halbleitern, in der die beiden Halbleiter gleichsinnig an zwei Spannungsquellen angeschlossen sind, von denen die eine die Eingangsspannung liefert und die andere eine konstante Spannung von einem solchen Wert, der nicht ausreicht, beide Halbleiter gleichzeitig in ihrem Zustand hoher Spannung zu betreiben.

Die in datenverarbeitenden Maschinen verwendeten Schaltungen arbeiten höchstens mit Frequenzen unter 100 MHz, was mindestens teilweise durch die Grenzfrequenzen der aktiven Elemente, nämlich vor allem der Transistoren, die in der Schaltung verwendet werden, bedingt ist. In letzter Zeit ist jedoch eine unempfindliche billige bistabile Halbleitervorrichtung entwickelt worden, die auch Schaltgeschwindigkeiten in der Größenordnung von mehreren hundert Megahertz hat. Theoretisch gestattet die hohe Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung nun die Entwicklung von Schaltungen und insbesondere bistabilen Impulsschaltungen, die bezüglich der Arbeitsfrequenz nur geringe oder gar keine Einschränkungen aufweisen.

Praktisch ist es jedoch schwierig, eine einfache Vorspannungsschaltung zu schaffen, die die Vorrichtung in den Stand setzt, bei Frequenzen in der Größenordnung von Hunderten von Megahertz fast sofort zu schalten. Die Vorspannungsschaltung ist gewöhnlich so kompliziert im Aufbau, daß sie die Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung verringert. Will man die Vorrichtung so empfindlich machen, daß sie zuverlässig auf Eingangsimpulse niedriger Amplitude und kurzer Dauer anspricht, so ist eine Schaltungsanordnung nötig, durch die ebenfalls die Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung herabgesetzt wird. Außer dieser Geschwindigkeitsverminderung wohnt der Vorrichtung der Nachteil inne, daß sie keine ausreichende Leistungsverstärkung entwickelt, um andere Schaltkreise mit hohen Geschwindigkeiten anzusteuern, wie es in Rechenmaschinenschaltungen erforderlich ist. Daher ist es wünschenswert, die der neuen Vorrichtung zugeordnete Schaltung so zu verbessern, daß diese Einschränkungen bezüglich der Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Leistungsverstärkung überwunden werden, wobei eine Verbilligung solcher Systeme zu erwarten ist.

Es sind auch Schaltungen mit einem GOTO-Paar bekanntgeworden, die als bistabile frequenzteilende Kippstufen verwendet werden können. Schaltet bei diesen Anordnungen ein Eingangsimpuls die eine Diode von EIN- in den AUS-Zustand, dann wird an einer Induktivität ein Spannungssprung induziert, der die andere Diode vom AUS- in den EIN-Zustand

Bistabile Kippstufe mit Vorspannschaltung

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt, Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 23. Dezember 1960 (Nr. 78 074)

Fred Karl Buelow, Poughkeepsie, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

schaltet. Ein Spannungsteiler liefert die Vorspannung für den gemeinsamen Punkt der Dioden und gibt dank der Zeitkonstante, welche in Zusammenhang mit der Induktivität entsteht, die Schaltgeschwindigkeit der Anordnung an. Dadurch wird ein relativ lang dauernder Eingangsimpuls zum Umschalten notwendig. Außerdem muß die Impulsamplitude groß sein.

Nach der Erfindung wird diesen Mängeln dadurch abgeholfen, daß eine Vorspannschaltung dem einen Halbleiter einen solchen Strom zuführt, daß er ohne Eingangsimpuls kurz vor seinem Bereich negativen Widerstandes steht und nach einem Eingangsimpuls einen solchen Strom entzieht, daß der andere Halbleiter kurz vor seinem Bereich negativen Widerstandes steht.

Vorteilhafterweise wird dabei der Vorspannstrom mit einer Verzögerung zugeführt und entnommen, die in der Größenordnung der Eingangsimpulsbreite liegt.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung sowie den nachstehend aufgeführten Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und zeigt eine bistabile Schaltung in Kombination mit einer Vorspannschaltung;

Fig. 2 stellt die Strom-Spannungs-Kennlinien der in der Schaltung von Fig. 1 verwendeten bistabilen Halbleitervorrichtungen dar;

Fig. 3 stellt die Strom-Spannungs-Kennlinie der in Fig. 1 verwendeten bistabilen Vorrichtungen und der

309 669/269

damit kombinierten Vorspannschaltung dar, und zwar vor und während des Anlegens des ersten Eingangsimpulses;

Fig. 4 stellt die Strom-Spannungs-Kennlinie der Kombination aus bistabilen Vorrichtungen und Vor-Spannschaltung von Fig. 1 dar, und zwar vor und während des Anlegens eines zweiten Eingangsimpuises;

Fig. 5 ist ein Spannungs-Zeit-Diagramm der dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 zugeführten Eingangsimpulse und der Ausgangssignale;

Fig. 6 ist ein Oszillogramm der erfindungsgemäßen Schaltung beim Zählen von Eingangsimpulsen mit einer Arbeitsfrequenz von mehreren hundert Megahertz;

Fig. 7 ist ein Oszillogramm der erfindungsgemäßen Schaltung, das die Größe der Eingangs- und Ausgangssignale zeigt.

Gemäß Fig. 1 besteht die Erfindung aus einer bistabilen Schaltung 10 in Kombination mit einer Vor- ao spannschaltung 12, die Leistungsverstärkungsvorrichrungen enthält. Die Schaltung 10 umfaßt eine erste negative Widerstandsvorrichtung 20 und eine zweite negative Widerstandsvorrichtung 22, die gleichsinnig miteinander in Reihe liegen. Vorzugsweise, aber nicht ausschließlich werden bistabile Halbleitervorrichtungen bei der Erfindung verwendet. Dem Fachmann sind mehrere Arten von bistabilen Halbleitervorrichtungen bekannt. Eine sehr zufriedenstellende bistabile Halbleitervorrichtung ist als Tunnel- oder Esakidiode bekanntgeworden. Die Tunneldiode ist als bevorzugtes Element zur Verwendung in der Erfindung wegen ihrer sehr hohen Schaltgeschwindigkeit gewählt worden. Daher werden die weiteren Abschnitte der Beschreibung auf Schaltkreise beschränkt, die die Merkmale der Tunneldiode ausnutzen. Die Lehren der Erfindung können aber auch auf Schaltungen angewendet werden, die als negative Widerstände, Spitzentransistoren, Vierschichttransistoren, Doppelbasisdioden oder aber Verstärkerelemente benutzen, die durch geeignete Rückkopplungen zu negativen Widerständen gemacht wurden.

Das eine Ende der in Reihe liegenden bistabilen Vorrichtungen ist über einen Widerstand 26 an eine Spannungsquelle 24 angeschlossen. Die Größe der Spannung ist so gewählt, daß sie jeweils eine bistabile Vorrichtung, aber nicht beide im Zustand hoher Spannung hält. Das andere Ende der bistabilen Vorrichtungen ist an einen Bezugspunkt 28, z. B. an Erde, angeschlossen. Eine Eingangsschaltung 30 mit relativ niedrigem Innenwiderstand ist an die Vorrichtungen angeschlossen. Außerdem enthält die Eingangsschaltung 30 einen Widerstand 32, der am Punkt 34 zwischen dem Widerstand 26 und der bistabilen Vorrichtung 20 angeschlossen ist.

Der Normalzustand der Dioden 20 und 22 ist aus Fig. 2 ersichtlich, die zwei Kurven 36 und 38 zeigt. Die Kurve 36 stellt die bekannte Kennlinie einer Tunneldiode dar, und die Kurve 38 stellt eine Lastkurve für die Diode dar. Wenn angenommen wird, daß die Kurve 36 die Merkmale der Diode 22 zeigt, zeigt die Lastlinie 38 die Merkmale der Diode 20, der Quelle 24 und der Widerstände 26 und 32 bezüglich der Diode 22. Die Belastungskurve 38 schneidet die Kurve 36 an den Punkten 42 und 44, bei denen es sich um stabile Arbeitspunkte handelt. Wenn die Diode 22 im »0«-Zustand mit niedriger Spannung und hohem Strom ist, ist die Diode 20, welche die Belastungsdiode ist, im »1 «-Zustand mit hoher Spannung und niedrigem Strom. Wenn die Diode 22 im »1 «-Zustand mit hoher Spannung und niedrigem Strom ist, ist ebenso die Belastungsdiode 20 im »0«-Zustand mit niedriger Spannung und hohem Strom.

An Hand von Fig. 1 seien nun die Elemente der an den Knotenpunkt 50 angeschlossenen Vorspannschaltung beschrieben. Sie kann beliebig aufgebaut sein und ist nicht auf die in Fig. 1 gezeigte Schaltung beschränkt. Sie arbeitet so, daß sie Strom vom Knotenpunkt 50 entnimmt oder Strom zum Knotenpunkt 50 liefert, um den Arbeitspunkt der Dioden 20 und 22 einzustellen. Weiter bewirkt die Schaltung eine Verzögerung, die das Umschalten der Dioden vor dem Umschalten des Stromes am Knotenpunkt gestattet. Eine bevorzugte Vorspannschaltung besteht aus einer zweistufigen Kollektorschaltung, bei der jeweils der Ausgang an den Eingang angeschlossen ist. Die Schaltung 12 ist über eine gemeinsame Leitung 52 an den Knotenpunkt 50 angeschlossen. Die eine Kollektorstufe besteht aus einem NPN-Transistor 54 mit einem Emitter 56, einem Kollektor 58 und einer Basis 60. Der Emitter ist über einen geeigneten Widerstand 62 an eine negative Spannung 64 angeschlossen. Die Basis ist sowohl an die gemeinsame Leitung 52 als auch über eine einen Widerstand 66 enthaltende Leitung 65 an eine negative Spannungsquelle 68 angeschlossen. Der Schnittpunkt der Leitungen 52 und 65 gibt den Knotenpunkt 53. Der Kollektor 58 ist über einen Widerstand 80 an eine Spannungsquelle 78 angeschlossen. Außerdem ist der Kollektor 58 mit einer zweiten Kollektorstufe verbunden, die einen NPN-Transistor 70 mit einem Emitter 72, einem Kollektor 74 und einer Basis 76 umfaßt. Der Transistor 70 ist mit seinem Kollektor 74 an die Quelle 78 und mit dem Emitter 72 über einen Widerstand 82 an den Knotenpunkt 53 angeschlossen. Durch die Verbindung des Emitters 72 mit dem Knotenpunkt 53 wird der Ausgang der zweiten Kollektorstufe mit dem Eingang der ersten Stufe gekoppelt. Den Eingangsanschluß für die zweite Kollektorstufe erhält man durch Verbindung der Basis 76 mit dem Kollektor 58 der ersten Stufe.

Der Transistor 54 ist normalerweise gesperrt, da sein PN-Übergang zwischen Emitter und Basis normalerweise durch die Quellen 64 und 68 in Sperrrichtung vorgespannt ist. Daher ist die Spannung des Emitters 56 gleich der der Quelle 64. Die Spannung des Kollektors ist gleich der der Quelle 78, die den PN-Übergang des Transistors 74 zwischen Emitter und Basis öffnet. Da nun der Transistor 70 voll leitend ist, wird die Spannung des Emitters 72 etwa gleich der der Quelle 78. Außerdem erhöht die Spannung des Emitters 72 die Spannung am Knotenpunkt 53 auf einen positiven Wert, durch den der Transistor 54 aus dem nichtleitenden in einen schwach leitenden Zustand gebracht wird. Normalerweise ist also der Transistor 54 schwach leitend und der Transistor 70 voll leitend.

Die Vorspannschaltung wird vervollständigt durch Ausgangsklemmen 84 und 86, die an die Emitter 56 bzw. 72 angeschlossen sind. Die entstehenden Ausgangsspannungen sind in Fig. 5 für die Zeit t₀ angegeben.

Bevor nun die Wirkungsweise der Erfindung beschrieben wird, werden die Kurven der Dioden 20 und 22 nach Anschluß der Vorspannschaltung 52 an den

Knotenpunkt 50 betrachtet. Es sei angenommen, daß die Dioden im »1«- bzw, »O«-Zustand sind. Wie schon erwähnt, ist der Transistor 70 voll leitend, während der Transistor 54 leicht leitend ist. Die an der Basis 60 erscheinende positive Spannung erscheint auch am Knotenpunkt 50 und hebt die Belastungslinie 38 in die in Fig. 3 gezeigte Lage an. Die veränderte Lage der Kurve 38 läßt sich dadurch erklären, daß die Vorspannschaltung Strom zur Diode 22 liefert, wodurch die Belastungskurve angehoben wird. Gemäß Fig. 3 arbeitet die Diode 22 im neuen Arbeitspunkt 42 a, der direkt an den Bereich negativen Widerstandes der Diode 22 angrenzt. Dies ist ein wichtiges Merkmal, da die erfindungsgemäße Schaltung jetzt fast sofort umschaltet, wenn Impulse an die Schaltung gelegt werden. Das schnelle Schalten erfolgt selbst dann, wenn Impulse niedriger Amplitude und kurzer Dauer der Eingangsschaltung 30 zugeführt werden.

Wenn ein positiver Eingangsimpuls 88 (s. Fig. 5) dem Knotenpunkt 34 zugeführt wird, verschiebt sich die Belastungskurve 38 leicht nach rechts, wie es durch eine gestrichelte Kurve 38 a in Fig. 3 angedeutet wird. Dadurch wird die Diode 22 in einen neuen stabilen Arbeitspunkt 44« geschaltet. Entsprechend schaltet die Diode 20 aus dem Zustand hoher in den Zustand niedriger Spannung oder »(!«-Zustand. Bei Beendigung der Eingangsimpulse rutscht der Arbeitspunkt 44 a nach Punkt 44 b. Da nun die Diode 22 im Zustand hoher Spannung ist, liegt etwa das Potential der Spannungsquelle 24 am Knotenpunkt 53 und macht den Transistor 54 leitend. Seine Kollektorspannung sinkt genügend weit, um den Transistor 70 abzuschalten. Dadurch wird die Spannung am Knotenpunkt 50 negativ, wodurch die Belastungskurve der Diode 22 in eine in Fig. 4 gezeigte neue Lage 38 c gebracht und ein Arbeitspunkt 44 c festgelegt wird. Die veränderte Lage läßt sich dadurch erklären, daß die Diode 22 der Vorspannschaltung einen negativen Strom zuführen muß, wodurch die Belastungskurve der Dioden sich nach unten verschiebt. Jetzt arbeitet die Diode 20 nahe ihrem negativen Bereich, während die Diode 22 nicht mehr im Bereich negativen Widerstandes arbeitet.

Die Ausgangsspannungen an den Klemmen 84 und 86 erscheinen wie in Fig. 5 gezeigt. Zur Zeit t_x erhöht sich die an Klemme 86 erscheinende Ausgangsspannung des Transistors 54 fast sofort mit dem Umschalten der Dioden 20 und 22. Kurz danach wird zur Zeit t., der Transistor 70 in Sperrichtung vorgespannt, und die Ausgangsspannung an Klemme 86 nimmt ab. Die Vorspannschaltung bewirkt eine Verzögerung, die das Einstellen der Arbeitspunkte der Dioden nach deren Umschaltung gestattet. Die Transistoren 54 und 70 bleiben nach Beendigung des Eingangsimpulses beide leitend bzw. gesperrt, da die Dioden 20 und 22 im anderen stabilen Arbeitszustand bleiben. In diesen stabilen Zuständen bleiben die Dioden, bis der Schaltung ein weiterer Eingangsimpuls zugeführt wird.

Durch einen zweiten der Schaltung zugeführten Eingangsimpuls 90 (s. Fig. 5) wird die Belastungskurve 38 c nach rechts verschoben, wie in Fig. 4 gezeigt. Daher schaltet die Diode 20 in den Zustand niedriger Spannung und setzt eine neue Arbeitskurve 42 b fest. Auch die Diode 20 schaltet um. Bei Beendigung des Eingangsimpulses wird der Arbeitspunkt der Diode 22 zum Punkt 42c verschoben. Da her wird die Spannungsquelle 24 vom Knotenpunkt 53 abgetrennt. Danach sperrt die Quelle 68 den Transistor 54. Hierdurch wird die Spannung am PN-Übergang des Transistors 70 zwischen Basis und Emitter erhöht, und der Transistor wird wieder voll leitend. Bei Einschaltung des Transistors 70 erhöht sich die Spannung am Knotenpunkt 50, und dem Knotenpunkt 50 wird durch den Transistor Strom zugeführt. Die positive Spannung am Knotenpunkt 50 hebt die Belastungslinie 38 in die in Fig. 3 gezeigte Lage an, bei der die Diode 22 den Arbeitspunkt 42 α hat, der an ihren Bereich negativen Widerstandes angrenzt.

Die Ausgangsspannungen für den in Fig. 4 gezeigten Arbeitszustand sind in Fig. 5 dargestellt. Zur Zeit i₃ sinkt die Spannung an der Klemme 84 infolge des schwach leitenden Zustandes des Transistors 54, und zur Zeit t_A steigt die Spannung an Klemme 86 infolge des leitenden Zustandes des Transistors 70. Wiederum gestattet die Verzögerung der Vorspannschaltung die Einstellung des Arbeitspunktes der Dioden nach deren Umschaltung.

Die Geschwindigkeit der Erfindung beim Zählen von Eingangsimpulsen ist in Fig. 6 dargestellt, worin eine Reihe von Oszillogrammen A bis D die zur Klemme 30 geleiteten Eingangsimpulse und die an Klemme 86 erscheinenden Ausgangsimpulse darstellen. Der Oszillograph war auf 5 Nanosekunden je Zentimeter eingestellt. Eine Spur A stellt zwei Eingangsimpulse von je einer Nanosekunde Dauer dar, die zeitlich durch 1 Nanosekunde getrennt sind, was einer Impulsfrequenz von 500 Megahertz entspricht. Die Spur C zeigt das Ausgangssignal für die Spur A, und man sieht, daß der erste Impuls die Spannung an der Klemme 86 senkt und der zweite Eingangsimpuls die Spannung an der Klemme wiederherstellt. Die Spur C zeigt, daß die Erfindung zufriedenstellend in binärer Weise Eingangsimpulse zählt, die eine Frequenz von 500 Megahertz haben, die gegenüber den bekannten Vorrichtungen ungewöhnlich hoch ist.

Die Spur B in Fig. 6 stellt eine Frequenz von 100 Megahertz dar, und zwar wird die Ausgangsspannung an der Klemme 86 gemäß Spur D gesenkt, bis der zweite Eingangsimpuls angelegt wird, woraufhin die Spannung an der Klemme 86 auf den normalen AVert zurückgebracht wird. Die Spuren B und D beweisen, daß die Erfindung, nachdem sie einmal betätigt worden ist, in diesem Zustand bleibt, bis der nächste Eingangsimpuls angelegt wird.

Die Spannungshöhe der der Eingangsklemme 30 zugeführten Impulse und der an der Ausgangsklemme 86 erscheinenden Impulse geht aus Fig. 7 hervor. Dort zeigt ein Oszillogramm E einen Eingangsimpuls und eine Spur F einen Ausgangsimpuls. Der Oszillograph zeichnete mit 2 Nanosekunden je Zentimeter entlang der Horizontalachse, 0,2 Volt/cm entlang der Vertikalachse für den Eingangsimpuls und mit 0,5 Volt/cm entlang der Vertikalachse für den Ausgangsimpuls.

Die Vorspannschaltung 12 kann so dimensioniert werden, daß die Arbeitspunkte der Dioden an ihren Bereich negativen Widerstandes in beiden stabilen Arbeitszuständen angrenzen oder in dem einen Zustand an den Bereich negativen Widerstandes angrenzen und im anderen Zustand davon getrennt sind. Im letztgenannten Zustand dauert das Schalten der Dioden länger als im erstgenannten Zustand, da die Dioden weiter aus ihrem Bereich negativen Widerstandes entfernt sind. Die Erfindung läßt sich also an

einen breiten Bereich von Empfindlichkeitsstufen anpassen, je nachdem, wieviel Strom in den Knoten 50 zugekoppelt wird. Auch die Zählgeschwindigkeit der Erfindung kann durch die Vorspannschaltung gesteuert werden. Durch kapazitive Belastung der Rückkopplungsschaltung wird die Zählgeschwindigkeit verändert.

Wenn die Dioden nahe ihrer Bereiche negativen Widerstandes arbeiten, ermöglicht es die Vorspannschaltung, daß auch Eingangsimpulse geringen Energiegehaltes die Dioden schalten können.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bistabile frequenzteilende Kippstufe mit zwei bistabilen Halbleitern, in der die beiden Halbleiter gleichsinnig an zwei Spannungsquellen angeschlossen sind, von denen die eine die Eingangsspannung liefert und die andere eine konstante Spannung von einem solchen Wert, der ao nicht ausreicht, beide Halbleiter gleichzeitig in ihrem Zustand hoher Spannung zu betreiben, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorspannschaltung (12) dem einen Halbleiter (22) einen solchen Strom zuführt, daß er ohne Eingangsimpuls kurz vor seinem Bereich negativen Widerstandes steht und nach einem Eingangsimpuls einen solchen Strom entzieht, daß der andere Halbleiter (20) kurz vor seinem Bereich negativen Widerstandes steht.

2. Kippstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Vorspannstrom mit einer Verzögerung zugeführt und entnommen wird, die in der Größenordnung der Eingangsimpulsbreite liegt. _

3. Kippstufe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannquelle aus zwei Kollektorstufen besteht, die vom Kollektor (58) des einen Transistors (54) zur Basis (76) des anderen Transistors (70) und von der Basis (54) des einen Transistors (54) zum Emitter (72) des anderen Transistors (70) und zur Kippstufe (10) rückgekoppelt ist.

4. Kippstufe nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannschaltung frequenzgeteilte, verstärkte komplementäre Impulse entnommen werden.

5. Kippstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiter Tunneldioden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
IRE Transactions on Electronic Computers, September 1960, S. 299, Fig. 9.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 309 669/269 8.63